海洋所揭示深海錳結核區(qū)沉積物微生物的代謝和適應機制
全球海底蘊藏著豐富的多金屬結核資源,因其富含多種戰(zhàn)略性金屬,被認為是當今最具開發(fā)潛力的海底礦床類型。但這些資源主要分布在水深4000至6000米的深海平原,一般遠離陸地,生產力極低。近半個世紀以來,許多國家和地區(qū)的大量科學組織和團隊針對深海采礦可能引起的環(huán)境破壞問題開展了一系列影響調查和實驗研究,對底棲生物尤其是大型底棲生物的影響和恢復進行了大量監(jiān)測和評估。然而對于棲息在金屬結核沉積物環(huán)境中的微生物,面臨著重金屬、寡營養(yǎng)、高壓和低溫等極端環(huán)境條件的挑戰(zhàn),對其在金屬結核礦床環(huán)境適應機制及其多樣性和代謝能力卻了解甚少。
深海采礦的環(huán)境影響一直是國際社會高度關注的話題。目前,國際海底管理局(ISA)正在積極推動區(qū)域環(huán)境管理計劃(REMPs),首個REMPs區(qū)域是東太平洋克拉里昂-克利珀頓斷裂帶區(qū)域(CC區(qū)),以保護太平洋深海結核采礦目標區(qū)的生物多樣性和生態(tài)系統功能。中國科學院海洋研究所聯合自然資源部第二海洋研究所和華中農業(yè)大學,系統研究了CC區(qū)的錳結核沉積物微生物的代謝能力,相關成果近期在國際微生物學權威期刊《Microbiome》發(fā)表。研究人員通過對錳結核沉積物樣品深度宏基因組測序,重建了179個高質量的基因組(MAGs),并將其歸類為21個細菌門和1個古菌門。通過對MAGs功能基因進行解析,首次提出了不同微生物在金屬、碳、氮和硫循環(huán)中的作用證據,研究結果可為國際海底管理局區(qū)域環(huán)境管理計劃和國家多金屬結核資源開發(fā)與環(huán)境修復提供重要科學支撐。
研究結果顯示,在這些富含金屬的沉積環(huán)境中,異養(yǎng)和化能自養(yǎng)微生物已經進化出了對重金屬的抗性機制,主要包括通過酶催化的金屬氧化還原(錳、鉻和汞)、膜轉運蛋白介導的金屬運輸(鉛)、以及上述兩者的協同作用(砷和銅)。鐵和錳是沉積物環(huán)境含量最高的兩種金屬。鐵可能以鐵(Ⅲ)形式被微生物作為電子傳遞鏈中的胞外電子受體。錳氧化微生物主要將錳(Ⅱ)氧化為錳(Ⅲ)或錳(Ⅳ),而錳離子的轉運較少,這凸顯了該氧化反應對微生物在能量有限系統中維持生存的重要性。屬于Thaumarchaeota 門或 Nitrospirota門的5個化能自養(yǎng)微生物被發(fā)現具有潛在的錳氧化能力。而大量金屬氧化還原酶基因的發(fā)現,包括Mn(Ⅱ)氧化酶、Fe(Ⅲ)還原酶、Cr(Ⅳ)還原酶、As(Ⅲ)氧化酶和Hg(Ⅱ)還原酶等,又為重金屬生物修復中的潛在應用提供了重要的遺傳基因資源。
研究還發(fā)現,除了氧氣和鐵(Ⅲ),微生物主要利用硝酸鹽作為電子受體,通過對金屬和硫化合物的氧化獲取能量。硝酸鹽大部分被還原為一氧化氮,排入海水中。此外,具有多樣化碳水化合物酶(CAZymes)的微生物并未表現出更高的群落豐度。對優(yōu)勢微生物的功能分析進一步表明,它們攜帶了更高比例的與金屬、氮和硫代謝相關的功能基因,而CAZymes較低。因此,通過氧化還原反應利用無機營養(yǎng)物(而不是有機營養(yǎng)物代謝)獲取能量是微生物在錳結核沉積物中維持生存的主要適應策略?;谏鲜鲅芯?,研究人員提出了錳結核區(qū)沉積物中微生物生態(tài)的模型。
深海錳結核區(qū)沉積物中優(yōu)勢微生物類群的代謝功能

深海錳結核區(qū)沉積物中微生物主導的生態(tài)功能模型
中國科學院海洋研究所張德超副研究員和華中農業(yè)大學李旭東博士為論文共同第一作者,中國科學院海洋研究所沙忠利研究員和華中農業(yè)大學鄭金水教授為論文共同通訊作者。研究得到了國家自然科學基金、中國科學院先導科技專項等項目資助。
相關成果及鏈接如下:
Zhang, D?., Li, X?., Wu, Y., Xu, X., Liu, Y., Shi, B., Peng, Y., Dai, D., Sha, Z#., Zheng, J#. (2023). Microbe-driven elemental cycling enables microbial adaptation to deep-sea ferromanganese nodule sediment fields. Microbiome 11, 160. https://doi.org/10.1186/s40168-023-01601-2
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