海洋所在詮釋深海錳結殼生物礦化研究中獲得突破
近日,中科院海洋所劉建國研究員課題組在深海微生物主導參與錳結核成礦研究上取得重要突破,相關結果以2篇研究論文分別在國際TOP學術期刊Chemosphere(IF=8.94)和Ecotoxicology and Environmental Safety(IF=7.129)上發(fā)表,該成果詮釋了微生物代謝在錳離子富集及成礦中的作用機制。
錳結殼廣泛分布于2000米以深的海底,在密集區(qū)每平米可達到百公斤以上,全球海底總儲量估計約3萬億噸以上,是重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源。海底錳結殼通常生長于海底堅硬的海山或基巖上,其成因可能與深海特殊地質環(huán)境的物理化學條件或生物過程有關,但至今尚未有一致的觀點。除了海底地質環(huán)境和物理化學條件以外,微生物礦化作用也非常值得關注。一些微生物的成礦效率可達物理化學作用的105倍以上,在錳結殼形成過程中可能發(fā)揮著重要作用。
研究團隊從深度為~2500 m西太平洋海底獲得的錳結殼樣品中,首先分離獲得一株耐高濃度錳離子的深海菌株寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas sp. MNB17),進而利用該菌株開展模式實驗。結果表明:單胞菌菌株MNB17直接參與錳元素的富集與成礦過程,并證實其催化成礦類型與錳離子濃度有關,即錳離子濃度的高低決定著不溶性的碳酸錳和氧化錳形成。其中,在相對低濃度中,菌株MNB17可形成以菱錳礦(JCPDS#44–1472)為主的礦物;而在相對高濃度中,則形成以氧化錳礦(JCPDS#81–2261)為主的礦物。
研究團隊通過代謝組學詮釋了菌株在不同錳離子濃度下如何調控形成不同錳礦的過程。結果表明:在不同錳濃度下該菌株的能量代謝存在明顯差異。其中,在相對低濃度錳離子溶液中,菌株MNB17有氧及無氧呼吸旺盛,同時脂肪酸發(fā)生降解,可為菌株代謝提供充足的能量,進行氨化作用形成菱錳礦;而在相對高濃度錳離子溶液中,菌株有氧及無氧呼吸下降,導致氨化作用減弱,負責錳離子氧化的多銅氧化酶的表達顯著提高,因此氧化錳礦占比相應增加。此外,研究人員還通過向高濃度錳離子溶液中添加外源有氧呼吸底物,成功地將氧化錳礦轉變?yōu)榱忮i礦,驗證菌株MNB17可通過調節(jié)能量代謝,參與不同濃度錳離子中的成礦過程,并決定最終成礦類型。
研究團隊的另一結果還發(fā)現(xiàn):高濃度錳離子條件下,菌株胞內ROS生成明顯增加,ROS也參與催化氧化錳礦的形成。轉錄組學揭示:在錳離子培養(yǎng)條件下,菌株MNB17的組氨酸合成通路基因顯著上調。組氨酸是α-酮戊二酸的前體,α-酮戊二酸通過非酶催化反應消除胞內過剩的ROS,減少氧化錳礦的生成。在此基礎上,研究人員通過向高濃度錳離子溶液中外源添加組氨酸,成功地將氧化錳礦轉變?yōu)榱忮i礦,進而也驗證了組氨酸代謝也參與了菌株MNB17錳成礦形式。
上述成果為微生物參與錳礦形成過程提供了實驗證據(jù),并詮釋了其作用機制。我所實驗海洋生物學重點實驗室藻類與藻類生物技術團隊的楊娜副研究員為上述論文的通訊作者,深海極端環(huán)境與生命過程中心張國良研究員在研究中做出了突出貢獻。研究得到了中國科學院戰(zhàn)略先導B專項和青島海洋科學與技術試點國家實驗室項目資助。

圖1 能量代謝決定菌株MNB17的成礦類型

圖2 組氨酸代謝參與菌株MNB17的成礦類型
論文鏈接:
Fuhang Song, Guoliang Zhang, Xiuli Xu, Steven W. Polyak, Kai Zhang, Honghua Li, Na Yang*. 2022. Role of intracellular energy metabolism in Mn(Ⅱ) removal by the novel bacterium Stenotrophomonas sp. MNB17. Chemosphere, 308,136435.
https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136435
Fuhang Song, Guoliang Zhang, Honghua Li, Linlin Ma, Na Yang*. 2022. Comparative transcriptomic analysis of Stenotrophomonas sp. MNB17 revealed mechanisms of manganese tolerance at different concentrations and the role of histidine biosynthesis in manganese removal. Ecotoxicology and Environmental Safety, 244, 114056.
https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114056
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