深海錳結(jié)核區(qū)沉積物微生物代謝和適應(yīng)機(jī)制揭示

來源：科技日報(bào)


(資料圖)

科技日報(bào)記者 宋迎迎?通訊員 王敏

3日，記者從中國科學(xué)院海洋研究所獲悉，該所聯(lián)合自然資源部第二海洋研究所、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，通過對東太平洋克拉里昂－克利珀頓斷裂帶區(qū)域（CC區(qū)）錳結(jié)核沉積物微生物代謝能力進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了深海錳結(jié)核區(qū)沉積物微生物代謝和適應(yīng)機(jī)制，提出錳結(jié)核區(qū)沉積物中微生物生態(tài)的模型。該研究結(jié)果可為國際海底管理局的區(qū)域環(huán)境管理計(jì)劃和國家多金屬結(jié)核資源開發(fā)與環(huán)境修復(fù)提供重要的科學(xué)支撐。相關(guān)成果近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《微生物組》。

太平洋深海多金屬結(jié)核區(qū)。

多金屬結(jié)核又稱錳結(jié)核，因其富含錳、鐵、銅、鈷、鎳等30多種金屬元素而得名。中國科學(xué)院海洋研究所副研究員張德超接受記者采訪時(shí)說，多金屬結(jié)核礦主要分布在水深4000—6000米的深海平原，被認(rèn)為是當(dāng)今最具開發(fā)潛力的海底礦床類型。近半個(gè)世紀(jì)以來，許多科學(xué)組織和團(tuán)隊(duì)針對深海采礦可能引起的環(huán)境破壞問題開展了系列影響調(diào)查和實(shí)驗(yàn)研究，然而，對于棲息在金屬結(jié)核沉積物環(huán)境中的微生物以及其在金屬結(jié)核礦床環(huán)境適應(yīng)機(jī)制及其多樣性和代謝能力卻了解甚少。

由中國科學(xué)院海洋研究所、自然資源部第二海洋研究所、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，對CC區(qū)的錳結(jié)核沉積物微生物代謝能力開展了系統(tǒng)研究，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)。

“我們通過對錳結(jié)核沉積物樣品進(jìn)行深度宏基因組測序，重建了179個(gè)高質(zhì)量基因組，并對這些基因組功能基因進(jìn)行了解析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在富含重金屬的沉積環(huán)境中，微生物已經(jīng)進(jìn)化出了對重金屬的抗性機(jī)制，比如，通過酶催化的氧化還原反應(yīng)，將錳、鉻和汞轉(zhuǎn)化為毒性更低的價(jià)態(tài)；通過膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的金屬運(yùn)輸將細(xì)胞內(nèi)有毒的鉛排出胞外。”張德超介紹，研究組在研究中發(fā)現(xiàn)了大量金屬氧化還原酶基因，這些基因資源在重金屬的生物修復(fù)中具有重要潛在應(yīng)用價(jià)值。

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。

研究結(jié)果顯示，在寡營養(yǎng)的能量有限系統(tǒng)中，微生物主要通過對金屬（主要是錳）和硫化合物的氧化來獲取能量。在此過程中，大部分硝酸鹽被還原為一氧化氮，排入海水中。研究人員通過對優(yōu)勢微生物的分析，發(fā)現(xiàn)它們擁有更高比例的與金屬、氮和硫代謝相關(guān)的功能基因，而分解碳水化合物的相關(guān)基因比例很低。這表明，通過氧化還原反應(yīng)利用無機(jī)營養(yǎng)物（而不是有機(jī)營養(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。

（中國科學(xué)院海洋研究所供圖）

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