中国科学院海洋所揭示深海锰结核区沉积物微生物的代谢和适应机制

深海采矿的环境影响一直是国际社会高度关注的话题。目前，国际海底管理局（ISA）正在积极推动区域环境管理计划（REMPs），首个REMPs区域是东太平洋克拉里昂－克利珀顿断裂带区域（CC区），以保护太平洋深海结核采矿目标区的生物多样性和生态系统功能。中国科学院海洋研究所联合自然资源部第二海洋研究所和华中农业大学，系统研究了CC区的锰结核沉积物微生物的代谢能力，相关成果近期在国际微生物学权威期刊《Microbiome》发表。研究人员通过对锰结核沉积物样品深度宏基因组测序，重建了179个高质量的基因组（MAGs），并将其归类为21个细菌门和1个古菌门。通过对MAGs功能基因进行解析，首次提出了不同微生物在金属、碳、氮和硫循环中的作用证据，研究结果可为国际海底管理局区域环境管理计划和国家多金属结核资源开发与环境修复提供重要科学支撑。
全球海底蕴藏着丰富的多金属结核资源，因其富含多种战略性金属，被认为是当今最具开发潜力的海底矿床类型。其主要分布在水深4000至6000米的深海平原，一般远离陆地，生产力极低。近半个世纪以来，许多国家和地区的大量科学组织和团队针对深海采矿可能引起的环境破坏问题开展了一系列环境影响调查和实验研究，对底栖生物尤其是大型底栖生物的影响和恢复进行了大量监测和评估。然而对于栖息在金属结核沉积物环境中的微生物，面临着重金属、寡营养、高压和低温等极端环境条件的挑战，对其在金属结核矿床环境适应机制及其多样性和代谢能力了解甚少。
科研人员研究结果显示，在这些富含金属的沉积环境中，异养和化能自养微生物已经进化出了对重金属的抗性机制，主要包括通过酶催化的金属氧化还原（锰、铬和汞）、膜转运蛋白介导的金属运输（铅）、以及上述两者的协同作用（砷和铜）。铁和锰是沉积物环境含量最高的两种金属。铁可能以铁（Ⅲ）形式被微生物作为电子传递链中的胞外电子受体。锰氧化微生物主要将锰（Ⅱ）氧化为锰（Ⅲ）或锰（Ⅳ），而锰离子的转运较少，这凸显了该氧化反应对微生物在能量有限系统中维持生存的重要性。属于Thaumarchaeota 门或 Nitrospirota门的5个化能自养微生物被发现具有潜在的锰氧化能力。而大量金属氧化还原酶基因的发现，包括Mn（Ⅱ）氧化酶、Fe（Ⅲ）还原酶、Cr（Ⅳ）还原酶、As（Ⅲ）氧化酶和Hg（Ⅱ）还原酶等，又为重金属生物修复中的潜在应用提供了重要的遗传基因资源。
9 I! P  m  g0 G+ a研究发现，除了氧气和铁（Ⅲ），微生物主要利用硝酸盐作为电子受体，通过对金属和硫化合物的氧化获取能量。硝酸盐大部分被还原为一氧化氮，排入海水中。此外，具有多样化碳水化合物酶（CAZymes）的微生物并未表现出更高的群落丰度。对优势微生物的功能分析进一步表明，它们携带了更高比例的与金属、氮和硫代谢相关的功能基因，而CAZymes较低。因此，通过氧化还原反应利用无机营养物（而不是有机营养物代谢）获取能量是微生物在锰结核沉积物中维持生存的主要适应策略。基于上述研究，研究人员提出了锰结核区沉积物中微生物生态的模型。
中国科学院海洋研究所张德超副研究员和华中农业大学李旭东博士为论文共同第一作者，中国科学院海洋研究所沙忠利研究员和华中农业大学郑金水教授为论文共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院先导科技专项等项目资助。
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深海锰结核区沉积物中优势微生物类群的代谢功能
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+ \5 E( H/ b7 i1 v深海锰结核区沉积物中微生物主导的生态功能模型
: U) @* L* t# S7 b# s相关成果及链接如下：
1 l5 B* R  |! Q; R7 iZhang, 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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信息来源：中国科学院海洋研究所官网。