深海采礦的環(huán)境影響一直是國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注的話題。目前，國(guó)際海底管理局（ISA）正在積極推動(dòng)區(qū)域環(huán)境管理計(jì)劃（REMPs），首個(gè)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(hù)太平洋深海結(jié)核采礦目標(biāo)區(qū)的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所聯(lián)合自然資源部第二海洋研究所和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，系統(tǒng)研究了CC區(qū)的錳結(jié)核沉積物微生物的代謝能力，相關(guān)成果近期在國(guó)際微生物學(xué)權(quán)威期刊《Microbiome》發(fā)表。研究人員通過對(duì)錳結(jié)核沉積物樣品深度宏基因組測(cè)序，重建了179個(gè)高質(zhì)量的基因組（MAGs），并將其歸類為21個(gè)細(xì)菌門和1個(gè)古菌門。通過對(duì)MAGs功能基因進(jìn)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(jù)，研究結(jié)果可為國(guó)際海底管理局區(qū)域環(huán)境管理計(jì)劃和國(guó)家多金屬結(jié)核資源開發(fā)與環(huán)境修復(fù)提供重要科學(xué)支撐。
全球海底蘊(yùn)藏著豐富的多金屬結(jié)核資源，因其富含多種戰(zhàn)略性金屬，被認(rèn)為是當(dāng)今最具開發(fā)潛力的海底礦床類型。其主要分布在水深4000至6000米的深海平原，一般遠(yuǎn)離陸地，生產(chǎn)力極低。近半個(gè)世紀(jì)以來，許多國(guó)家和地區(qū)的大量科學(xué)組織和團(tuán)隊(duì)針對(duì)深海采礦可能引起的環(huán)境破壞問題開展了一系列環(huán)境影響調(diào)查和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)底棲生物尤其是大型底棲生物的影響和恢復(fù)進(jìn)行了大量監(jiān)測(cè)和評(píng)估。然而對(duì)于棲息在金屬結(jié)核沉積物環(huán)境中的微生物，面臨著重金屬、寡營(yíng)養(yǎng)、高壓和低溫等極端環(huán)境條件的挑戰(zhàn)，對(duì)其在金屬結(jié)核礦床環(huán)境適應(yīng)機(jī)制及其多樣性和代謝能力了解甚少。
科研人員研究結(jié)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(jīng)進(jìn)化出了對(duì)重金屬的抗性機(jī)制，主要包括通過酶催化的金屬氧化還原（錳、鉻和汞）、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的金屬運(yùn)輸（鉛）、以及上述兩者的協(xié)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（ ）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（ ）氧化為錳（ ）或錳（ ），而錳離子的轉(zhuǎn)運(yùn)較少，這凸顯了該氧化反應(yīng)對(duì)微生物在能量有限系統(tǒng)中維持生存的重要性。屬于Thaumarchaeota 門或 Nitrospirota門的5個(gè)化能自養(yǎng)微生物被發(fā)現(xiàn)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(xiàn)，包括Mn（ ）氧化酶、Fe（ ）還原酶、Cr（ ）還原酶、As（ ）氧化酶和Hg（ ）還原酶等，又為重金屬生物修復(fù)中的潛在應(yīng)用提供了重要的遺傳基因資源。
研究發(fā)現(xiàn)，除了氧氣和鐵（ ），微生物主要利用硝酸鹽作為電子受體，通過對(duì)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(xiàn)出更高的群落豐度。對(duì)優(yōu)勢(shì)微生物的功能分析進(jìn)一步表明，它們攜帶了更高比例的與金屬、氮和硫代謝相關(guān)的功能基因，而CAZymes較低。因此，通過氧化還原反應(yīng)利用無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物（而不是有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物代謝）獲取能量是微生物在錳結(jié)核沉積物中維持生存的主要適應(yīng)策略。基于上述研究，研究人員提出了錳結(jié)核區(qū)沉積物中微生物生態(tài)的模型。
深海錳結(jié)核區(qū)沉積物中優(yōu)勢(shì)微生物類群的代謝功能
深海錳結(jié)核區(qū)沉積物中微生物主導(dǎo)的生態(tài)功能模型
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所張德超副研究員和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李旭東博士為論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所沙忠利研究員和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭金水教授為論文共同通訊作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
相關(guān)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
