社科在线江凌
极端环境生物资源，包括深海热液、高盐盐湖、高寒极地、高温温泉、强酸碱性土壤及荒漠等生境中生存的微生物及其他特殊生物。它们以独特的耐受机制、新颖代谢途径和多样功能产物，正成为全球生物经济和生物制造竞争的战略性资源。
值得注意的是，基于嗜盐菌开发的“下一代生物制造技术”，已在生物可降解材料、高值化学品等领域实现颠覆性突破，在该领域我国目前处于全球引领地位。
然而，在极端环境生物资源的系统调查、资源主权保护、数字化共享平台建设、关键技术自主可控及产业化转化等环节，我国仍存在突出短板。
在此，我们呼吁要从国家战略高度加强顶层设计，强化极端环境生物资源主权管理、建立国家极端环境生物资源平台、强化资源调查与保藏体系建设、完善遗传资源获取与惠益分享机制、推动资源驱动的产业创新，为维护我国生物安全与抢占生物经济制高点提供决策科学依据。
极端环境生物资源成争夺焦点
全球生物制造竞争格局加速重塑 合成生物学被公认为21世纪最具变革性的底层技术之一。根据美国白宫2023年发布的《生物技术和生物制造宏大目标》，进一步将生物制造目标细化到气候变化、食品与农业、供应链、人类健康和跨领域基础能力建设等方向。
欧盟在《欧洲绿色协议》框架下也设立了生物基产业联合企业（BBI JU）及欧洲循环生物基产业联合企业（CBE JU），累计投入超40亿欧元推动生物制造技术研发和产业化。
日本在《生物战略2019》及其2024年修订版中，将“极端微生物利用”列为重点方向，提出到2030年建成全球最先进的生物制造社会。
在这一全球竞争格局中，极端环境生物资源正成为各方争夺的焦点。原因在于：第一，极端环境微生物具有在高温、高盐、高酸碱等苛刻条件下生长的独特能力，可支撑开放、非灭菌的连续发酵过程，从根本上解决传统生物制造的能耗和成本瓶颈；第二，极端微生物来源的关键酶（如DNA聚合酶、纤维素酶、脂肪酶等）已在分子生物学、洗涤、食品、纺织等行业形成数百亿美元的市场；第三，极端环境微生物蕴含着大量未被发现的天然产物和代谢通路，是新型药物、生物材料和工业催化剂的天然宝库。
我国极端环境生物资源禀赋突出 我国是世界上极端环境类型最为丰富多样的国家之一。从类型上涵盖：
深海高压环境 南海冷泉等，深度超过10000米；
高寒极地与高原 青藏高原（平均海拔4000米以上）、天山冰川、阿尔泰山冻土带；
高温温泉 云南腾冲热海（水温可达96℃）、西藏羊八井地热田等；
盐湖与盐碱地 新疆艾丁湖（盐浓度可达200 g/L以上）、青海察尔汗盐湖、内蒙古吉兰泰盐湖等，总面积超过10万平方公里；
荒漠与戈壁 塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠等；
重金属与放射性污染区 罗布泊地区、部分历史矿冶区等。
我国科学家在全球极端微生物研究中已经取得一系列标志性成果。清华大学陈国强教授团队从新疆艾丁湖分离的盐单胞菌Halomonas bluephagenesis TD01，已被开发为“下一代工业生物技术”的核心底盘菌株，在无灭菌条件下可实现80 g/L生物量并积累含量达80%的聚羟基脂肪酸酯（PHA），并在200立方米工业规模发酵罐中成功验证。
南京工业大学江凌教授团队前期已对新疆典型旱区生境开展了系统采样，包括环塔克拉玛干沙漠腹地98个采样点、罗布泊辐射污染区124个采样点、吐哈盆地202个采样点、环古尔班通古特沙漠及腹地165个采样点，累计采集样品1500余份。团队从罗布泊分离获得的耐辐射奇球菌Deinococcus wulumuqiensis R12，已完成全基因组测序，揭示了其完备的DNA损伤修复体系和多重抗逆机制，为极端环境微生物的功能开发提供了理论和技术基础。
生物安全与资源主权形势日益严峻 《生物多样性公约》及《名古屋议定书》确立了遗传资源获取与惠益分享（ABS）的基本法律框架。然而，在实践中，发达国家凭借先进技术和资金优势，通过国际科考合作、样本交换协议等渠道，长期获取发展中国家的极端环境生物资源。部分关键资源的菌株和基因序列已被国外研究机构率先发表和申请专利，我国面临“资源在本土、数据在海外、产权在他国”的现实风险。
2014年生效的《名古屋议定书》要求各国建立遗传资源获取的事先知情同意（PIC）和共同商定条件（MAT）制度。我国虽于2016年加入议定书并出台了《生物安全法》，但针对极端环境微生物这一特殊资源类型，专门的管理制度和技术指南仍近乎空白。在菌株出境审批、基因组数据跨境传输、外国科考船和科考活动监管等方面，存在管理分散、标准不一、执法依据不足等问题。
国际发展态势与经验借鉴
美国国家战略统筹下的全面布局 美国是最早系统布局极端环境微生物研究的国家。早在2007年，美国国家科学院就发布了《环境基因组学新科学》报告，强调极端环境微生物的战略价值。美国能源部联合基因组研究所系统的“基因组百科全书”计划和“地球微生物组计划”，已对全球数千个极端环境样本进行了宏基因组测序。
2022年9月，拜登政府签署了具有里程碑意义的《国家生物技术和生物制造倡议》（Executive Order 14081），明确提出要“利用生物多样性和极端环境微生物的独特功能，开发新型生物制造平台”。2023年3月，白宫科技政策办公室（OSTP）发布《生物技术和生物制造宏大目标》报告，设定了具体量化指标。在极端微生物领域，美国国家科学基金会（NSF）支持的“极端环境生命研究网络”和国防高级研究计划局（DARPA）的“安全基因”等项目，均将极端微生物的工程化改造列为重点方向。
值得关注的是，美国对微生物资源的主权管控也在不断加强。美国微生物菌种保藏中心（ATCC）自2020年以来收紧了部分菌株的国际分发。美国商务部工业与安全局已将某些极端环境微生物及其基因编辑技术纳入出口管制清单。
欧盟开放科学与产业转化的协同推进 欧盟通过“地平线2020”及其后继“地平线欧洲”计划，持续资助极端环境微生物研究。欧盟海洋生物研究基础设施（EMBRC-ERIC）汇集了欧洲24个海洋研究站，系统开展深海和极地微生物资源调查。德国不莱梅大学、基尔大学和西班牙塞维利亚大学在嗜盐菌基础生理学研究方面处于国际领先地位——德国Bonn大学的Galinski教授团队（四氢嘧啶的发现者之一）和Kunte团队在盐单胞菌渗透适应机制方面的研究为后续应用奠定了关键基础。
东欧国家在嗜盐菌PHA领域也形成了特色优势。捷克布尔诺理工大学的Obruča团队2022年在Biotechnology Advances发表的综述，系统比较了嗜盐菌和嗜热菌合成PHA的路径，是该领域引用率最高的论文之一。
欧盟的ABS管理体系相对成熟，通过欧盟法规（EU）No 511/2014建立了遗传资源利用的“尽职调查”制度，要求所有使用者声明其遵守资源来源国的ABS法规。
英国与日本聚焦特色方向的精准发力 英国曼彻斯特大学Scrutton团队（与清华大学陈国强团队合作）开发了化学自养型盐单胞菌，以硫代硫酸盐为能源通过还原性三羧酸循环固定CO₂，同时生产气态烃、PHA和渗透调节剂，为碳负性的生物制造开辟了新路径。这一研究表明，极端微生物不仅可以用于传统有机碳源发酵，也可能与CO₂转化、工业尾气利用和低碳生物制造结合。对我国而言，盐单胞菌研究不应局限于PHA或单一产品路线，而应进一步探索化能自养、混合营养、低成本碳源和工业副产物利用，推动极端环境生物资源与“双碳”目标结合。
日本的极端微生物研究传统深厚，东京工业大学堀越弘毅教授是嗜碱菌研究的先驱，他主编的Extremophiles Handbook（Springer， 2011）至今仍是该领域的权威参考书。日本海洋研究开发机构在深海极端环境微生物领域长期投入，其深海钻探船“地球号”多次在太平洋海沟发现新型嗜压微生物。日本经验的启示是：极端环境生物资源开发需要长期稳定的基础研究、持续的国家平台支撑和面向产业的系统转化机制。我国应在“资源调查—保藏—数据库—工程化—产业示范”之间建立连续链条，而不是仅依靠分散课题或短周期项目推动。
我国面临的突出问题与风险
资源家底不清，系统性调查严重不足 我国迄今尚未完成全国极端环境微生物资源的系统性调查与编目。已有的调查工作多由单一课题组在有限区域内开展，缺乏全国统一的采样规程、分类标准和数据格式。青藏高原、南海深海、西部盐湖等战略区域的微生物多样性数据，相当部分仍由国外科考队或国际合作项目主导获取。南京工业大学团队的新疆旱区采样工作（覆盖589个采样点、1500余份样品）虽取得重要进展，但与全国极端环境类型的广度和深度相比，仅是冰山一角。
菌株与基因资源保藏体系分散 我国现有微生物菌种保藏机构（中国普通微生物菌种保藏管理中心CGMCC、中国典型培养物保藏中心CCTCC等）虽保藏了大量菌株，但专门针对极端环境微生物的分类保藏和功能注释体系尚未建立。菌株的基础数据多停留在16S rRNA分类水平，功能基因组解析、代谢产物鉴定和培养条件优化的信息覆盖率极低。与ATCC（美国，保藏超过7万株菌）、DSMZ（德国，保藏超过4万株菌）相比，我国在极端环境微生物的菌种多样性和数据完整性方面存在明显差距。
遗传资源管理体系亟待完善 我国已颁布《生物安全法》和《人类遗传资源管理条例》，但针对微生物遗传资源（尤其是极端环境微生物这一特殊类型）获取、保藏、利用和跨境流动的专门管理规定仍处于缺位状态。在实际操作中面临以下具体问题：比如，外国科学家和科研机构通过科考合作渠道获取我国极端环境样本，审批程序和监管力度不统一；基因组和宏基因组数据跨境传输，缺乏明确的分类分级管理制度；《名古屋议定书》的国内实施细则尚未出台，菌株国际交换的知识产权归属模糊；对已公开发表的我国来源微生物基因组数据，缺乏回溯和主权确认机制。
从资源到产业的转化链条不畅 尽管我国在嗜盐菌NGIB技术方向处于全球引领地位——清华大学陈国强团队、罗格斯大学等合作团队已在海内外发表数百篇高水平论文，微构工场已建成全球首条万吨级PHA生产线——但整体上看，极端环境生物资源从发现到产业化的链条仍然漫长且不连续：
中试放大能力不足 多数极端环境微生物的实验室培养条件难以在工业规模实现，缺乏专门针对极端微生物的中间试验平台；
一体化解决方案缺乏 从样本采集、菌株筛选、功能基因挖掘、底盘细胞构建到发酵工艺包开发和下游提取，缺乏全链条的系统工程能力；
跨学科协作薄弱 微生物学、合成生物学、化学工程、材料科学、信息技术等学科的交叉融合不足，限制了从资源到产品的转化效率。
保护我国生物安全的对策与建议
建立国家极端环境生物资源管理委员会 建议由科技部牵头，联合农业农村部、自然资源部、中国科学院、中国科协等部门，成立“国家极端环境生物资源管理委员会”，负责以下职能：制定国家极端环境生物资源调查与保护的中长期规划；协调各部门和地方在极端环境区域的科考和采样活动；审批和管理外国机构及个人在我国境内进行极端环境生物资源采集和研究的申请；建立国家极端环境微生物资源分类分级目录。
实施国家极端环境生物资源系统调查工程 建议在国家自然科学基金或国家重点研发计划中设立“中国极端环境微生物资源调查与评价”重大专项，参照日本JAMSTEC深海调查计划和美国JGI地球微生物组计划的模式，对我国八大极端环境类型进行系统性调查：深海高压区（以南海、东海和西太平洋为主）；高寒极地区（青藏高原、天山、阿尔泰山）；高温高热区（腾冲、羊八井等温泉地热系统）；高盐区（柴达木盆地盐湖群、艾丁湖等）；荒漠旱区（塔克拉玛干、古尔班通古特等沙漠）；强酸碱区（特定工业废弃地和自然酸性/碱性环境）；重污染区（罗布泊等辐射/重金属污染区）；人工极端环境（高盐高碱工业废水处理系统）；调查工程应统一采样规范、元数据标准和菌株鉴定方法，建立我国极端环境微生物资源“一张图”和国家极端环境微生物资源目录。
建设国家级极端环境微生物资源与数据平台 建议依托中国科学院微生物研究所（已有CGMCC基础）或新建实体机构，建立“国家极端环境微生物资源与数据中心”，集成以下功能：极端环境微生物菌株的收集、鉴定、保藏和分发（实体库）；极端环境微生物基因组、宏基因组、代谢组和功能注释数据库；菌株培养条件、代谢产物和功能特性的综合信息服务；面向科研和产业的菌株筛选和定制服务；与国家生物安全大数据中心对接，实现数据安全管理。
在数据安全方面，参照欧洲生物信息学研究所（EBI）的经验，建立分层访问机制：基础分类信息公开共享，功能基因组信息学术注册访问，高价值代谢通路和酶基因信息授权使用。
完善遗传资源获取与惠益分享法律体系 建议在《生物安全法》基础上，由生态环境部牵头制定《微生物遗传资源获取与惠益分享管理办法》或实施细则，明确以下内容：
事先知情同意（PIC）程序 外国机构和个人获取我国极端环境微生物样本必须经过国家主管部门审批，明确采集地点、数量和用途；
共同商定条件（MAT）标准化 制定标准化的MAT合同模板，含知识产权归属、商业化收益分享比例等关键条款；
数据主权保护 规定来源于我国极端环境的微生物基因组和宏基因组数据，公开发表前须将原始数据提交至国家数据中心备案；
违规处罚 对未经批准的”生物剽窃”行为制定明确的行政处罚和民事赔偿标准，情节严重的追究刑事责任。
建设极端环境生物制造产业化示范工程 建议在“十五五”国家重点研发计划中布局“极端环境生物制造产业化示范”专项，围绕以下方向建设国家级示范工程：
嗜盐菌NGIB平台示范 依托清华大学-微构工场的技术基础，在沿海盐碱地区或可利用海水地区建设10万吨级PHA生产线，同时示范四氢嘧啶、3-羟基丙酸等高值联产工艺；
嗜热菌高温发酵示范 借鉴美国Dartmouth College和NREL在嗜热梭菌纤维素乙醇领域的技术（Clostridium thermocellum n-丁醇路线），建立秸秆类生物质高温发酵联产平台；
深海极端酶产业化示范 依托中科院深海所和海洋试点国家实验室的深海微生物资源，建设极端酶（耐压DNA聚合酶、低温脂肪酶等）的规模化生产和应用示范线。
同时，建议国家发改委、工信部将极端环境生物制造纳入战略性新兴产业目录，在税收优惠、绿色信贷、首台套保险补偿等方面给予政策倾斜。
强化国际合作中的资源主权意识与主动布局 建议在中国科协和科技部的指导下，研究制定“极端环境生物资源国际合作指南”，明确合作原则和底线：坚持“以我为主、为我所用”的合作原则，确保我国在合作中的主导权和核心利益；所有国际合作项目须签署包含ABS条款的合作协议，明确资源来源、知识产权安排和惠益分享方案；积极推动“一带一路”沿线国家间的极端环境微生物资源合作网络建设，以“数字丝绸之路”和“创新丝绸之路”为框架，建立区域性极端环境微生物资源数据和菌株共享机制。
极端环境生物资源是支撑国家生物经济、保障产业链供应链安全、实现“双碳”目标的战略性资源。我国在这一领域既有得天独厚的资源禀赋，又有清华大学陈国强教授团队等在国际上处于引领地位的科研基础。当前亟需加强顶层设计，以系统调查为根基、以主权保护为底线、以数据平台为枢纽、以产业示范为牵引，构建从资源到技术到产业再到治理的闭环体系，使极端环境生物资源真正成为支撑我国高质量发展的“战略富矿”。
作者简介：
江凌，教授，博士生导师，国家级人才项目入选者，国家一流本科专业负责人，江苏省重点学科带头人。研究方向为食品合成生物学。以第一作者或通信作者发表SCI期刊论文120余篇，其中21篇影响因子> 10，19篇次入选ESI高被引论文和ESI热点论文，连续入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。授权中国发明专利39件。主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家自然科学基金南疆专项基金重点项目、国家自然科学基金山东联合基金重点项目、国家重点研发计划课题（2项）、江苏省自然科学基金杰出青年基金等省部级以上项目近20项。以第一完成人获中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国商业联合会科技进步特等奖、江苏省轻工协会科技进步一等奖，荣获新疆“天池英才”特聘专家、中国产学研合作促进会科技创新人物奖、中国商业联合会科技创新人物奖。
