生物地球化學循環(huán)是地球系統(tǒng)科學的核心研究方向之一，對碳、氮、磷、硫及重金屬等元素在地球圈層中的循環(huán)過程進行描述、示蹤和預測是生物地球化學循環(huán)研究的重要內(nèi)容。在地球各種生命形式中，微生物因其類型多樣、分布廣泛、物質(zhì)代謝方式豐富，在元素生物地球化學循環(huán)中發(fā)揮關鍵的驅(qū)動作用。深海微生物具有豐富的遺傳與代謝多樣性，但由于采樣和培養(yǎng)條件的限制，目前對深海微生物在地球化學元素循環(huán)中的基礎性作用仍知之甚少。因此，揭示不同深海環(huán)境（如深淵、熱液、冷泉等）微生物驅(qū)動元素循環(huán)的機制，有助于闡明深海微生物對海洋乃至整個地球范圍元素循環(huán)的貢獻。
為了解深海微生物驅(qū)動元素循環(huán)的機制，實驗海洋生物學重點實驗室孫超岷研究團隊針對熱液、冷泉及深淵三種典型深海生境的微生物，結(jié)合宏基因組測序、微生物純培養(yǎng)及各種組學技術(shù)系統(tǒng)揭示了三類深海典型微生物驅(qū)動碳、氮、磷、硫及鎘等元素循環(huán)的機制，同時發(fā)現(xiàn)并命名了一類古菌新門及一類典型硫酸鹽還原細菌新種。以上研究為深海微生物新物種的發(fā)現(xiàn)及其驅(qū)動的元素循環(huán)機制研究提供了理論依據(jù)和新的范例。
在對深海熱液沉積物樣品進行宏基因組測序分析后發(fā)現(xiàn)，一類叫做DPANN的古菌的豐度非常高?；诤昊蚪M序列組裝信息發(fā)現(xiàn)所研究熱液口包括5個已知門類的DPANN古菌，還包括一個新門類，為致謝“科學”號科考船，特將該新門古菌命名為“Kexuearchaeota”，即“科學門”。進一步分析發(fā)現(xiàn)，DPANN古菌盡管基因組非常小，但仍然保留了同化氮、硫等元素的能力，還能利用環(huán)境中的核酸和氨基酸用于代謝，進而促進氮、磷等元素的循環(huán)。在對冷泉樣品進行微生物分離培養(yǎng)的時候，獲得一株典型的硫酸鹽還原細菌新種，命名為Pseudodesulfovibrio cashew。該新種能夠通過還原硫酸鹽生成硫離子，進而同環(huán)境中的鎘、鈷等重金屬離子形成不溶性礦物質(zhì)，在去除重金屬脅迫的同時有效促進了環(huán)境中硫及各種重金屬的元素循環(huán)。在對一株深淵（馬里亞納海溝）假單胞細菌研究中發(fā)現(xiàn)，該菌能通過代謝半胱氨酸形成硫化氫進而和環(huán)境中的鎘離子形成硫化鎘納米顆粒，既增強了耐受鎘離子的能力，又促進了環(huán)境中硫和鎘的元素循環(huán)進程?？傊鞣N不同生境的深海微生物都進化出了不同驅(qū)動元素循環(huán)的機制，針對這些機制的進一步研究將促進研究人員更好的了解微生物物質(zhì)代謝和元素循環(huán)之間的關系。
深海熱液DPANN古菌物質(zhì)代謝和元素循環(huán)模式圖
深海冷泉硫酸鹽還原細菌硫代謝及硫化重金屬礦物質(zhì)形成模式圖
深淵假單胞細菌物質(zhì)代謝及硫化鎘礦物質(zhì)形成模式圖
上述研究成果分別發(fā)表在了微生物學專業(yè)期刊Applied Environmental Microbiology、Microorganisms及Environmental Microbiology Reports上面，第一作者分別為實驗海洋生物學重點實驗室的博士研究生蔡瑞寧、鄭日寬和馬寧，通訊作者為孫超岷研究員。相關研究研究得到了大洋協(xié)會“深海生物資源計劃”、中科院戰(zhàn)略先導專項等項目聯(lián)合資助。
相關研究論文：
1. Ruining Cai, Jing Zhang, Rui Liu, Chaomin Sun*. Metagenomic insights into the metabolisms and ecologic functions of abundant deep-sea hydrothermal vent DPANN archaea. Applied and Environmental Microbiology, 2021. doi: 10.1128/AEM.03009-20.
2. Rikuan Zheng, Shimei Wu, Chaomin Sun*. Pseudodesulfovibrio cashew sp. nov., a novel deep-sea sul-fate-reducing bacterium, linking heavy metal resistance and sulfur cycle. Microorganisms 2021, 9. https://doi.org/10.3390/microorganisms9020429.
3. Ning Ma, Chaomin Sun*. Cadmium sulfide nanoparticle biomineralization and biofilm formation mediate cadmium resistance of the deep-sea bacterium Pseudoalteromonas sp. MT33b. Environmental Microbiology Reports, 2021. doi: 10.1111/1758-2229.12933.
