深海采礦的環(huán)境影響一直是國際社會(huì )高度關(guān)注的話(huà)題。目前，國際海底管理局（ISA）正在積極推動(dòng)區域環(huán)境管理計劃（REMPs），首個(gè)REMPs區域是東太平洋克拉里昂－克利珀頓斷裂帶區域（CC區），以保護太平洋深海結核采礦目標區的生物多樣性和生態(tài)系統功能。中國科學(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業(yè)大學(xué)，系統研究了CC區的錳結核沉積物微生物的代謝能力，相關(guān)成果近期在國際微生物學(xué)權威期刊《Microbiome》發(fā)表。研究人員通過(guò)對錳結核沉積物樣品深度宏基因組測序，重建了179個(gè)高質(zhì)量的基因組（MAGs），并將其歸類(lèi)為21個(gè)細菌門(mén)和1個(gè)古菌門(mén)。通過(guò)對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，研究結果可為國際海底管理局區域環(huán)境管理計劃和國家多金屬結核資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境修復提供重要科學(xué)支撐。  

　　全球海底蘊藏著(zhù)豐富的多金屬結核資源，因其富含多種戰略性金屬，被認為是當今最具開(kāi)發(fā)潛力的海底礦床類(lèi)型。其主要分布在水深4000至6000米的深海平原，一般遠離陸地，生產(chǎn)力極低。近半個(gè)世紀以來(lái)，許多國家和地區的大量科學(xué)組織和團隊針對深海采礦可能引起的環(huán)境破壞問(wèn)題開(kāi)展了一系列環(huán)境影響調查和實(shí)驗研究，對底棲生物尤其是大型底棲生物的影響和恢復進(jìn)行了大量監測和評估。然而對于棲息在金屬結核沉積物環(huán)境中的微生物，面臨著(zhù)重金屬、寡營(yíng)養、高壓和低溫等極端環(huán)境條件的挑戰，對其在金屬結核礦床環(huán)境適應機制及其多樣性和代謝能力了解甚少。

　　科研人員研究結果顯示，在這些富含金屬的沉積環(huán)境中，異養和化能自養微生物已經(jīng)進(jìn)化出了對重金屬的抗性機制，主要包括通過(guò)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(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（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(mén)或 Nitrospirota門(mén)的5個(gè)化能自養微生物被發(fā)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(fā)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，又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(fā)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(guò)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）的微生物并未表現出更高的群落豐度。對優(yōu)勢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(guò)氧化還原反應利用無(wú)機營(yíng)養物（而不是有機營(yíng)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，研究人員提出了錳結核區沉積物中微生物生態(tài)的模型。  　  

深海錳結核區沉積物中優(yōu)勢微生物類(lèi)群的代謝功能

深海錳結核區沉積物中微生物主導的生態(tài)功能模型

　　中國科學(xué)院海洋研究所張德超副研究員和華中農業(yè)大學(xué)李旭東博士為論文共同第一作者，中國科學(xué)院海洋研究所沙忠利研究員和華中農業(yè)大學(xué)鄭金水教授為論文共同通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導科技專(zhuān)項等項目資助。  

　　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