海洋所等揭示深海錳結核區沉積物微生物代謝和適應機制

　　全球海底蘊藏著豐富的多金屬結核資源。因富含多種戰略性金屬，這些資源被認為是當今最具開發潛力的海底礦床類型。而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，許多國家和地區的科學組織和團隊針對深海采礦可能引起的環境破壞問題，開展了影響調查和實驗研究，監測和評估了底棲生物尤其是大型底棲生物的影響和恢復。而棲息在金屬結核沉積物環境中的微生物面臨著重金屬、寡營養、高壓和低溫等極端環境條件的挑戰，鮮有關于微生物在金屬結核礦床環境適應機制及多樣性和代謝能力的研究。

　　深海采礦的環境影響是備受關注的話題。目前，國際海底管理局（ISA）正在積極推動區域環境管理計劃（REMPs）。首個REMPs區域是東太平洋克拉里昂-克利珀頓斷裂帶區域（CC區），旨在保護太平洋深海結核采礦目標區的生物多樣性和生態系統功能。中國科學院海洋研究所聯合自然資源部第二海洋研究所、華中農業大學，系統研究了CC區的錳結核沉積物微生物的代謝能力。近期，相關研究成果發表在《微生物》（Microbiome）上。研究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），并歸類為21個細菌門和1個古菌門。研究解析了MAGs功能基因，提出了不同微生物在金屬、碳、氮和硫循環中的作用證據。該研究可為國際海底管理局區域環境管理計劃和國家多金屬結核資源開發與環境修復提供重要科學支撐。

　　研究顯示，在這些富含金屬的沉積環境中，異養和化能自養微生物已進化出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個化能自養微生物被發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，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。

　　研究發現，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）的微生物未表現出更高的群落豐度。研究對優勢微生物的功能分析表明，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物（而不是有機營養物代謝）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。基于上述研究，科研人員提出了錳結核區沉積物中微生物生態的模型。

　　研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。

深海錳結核區沉積物中優勢微生物類群的代謝功能

深海錳結核區沉積物中微生物主導的生態功能模型