研究揭示深海錳結核區沉積物微生物代謝適應機制

近日，中國科學院海洋研究所聯合自然資源部第二海洋研究所和華中農業大學，系統研究了該區域的錳結核沉積物微生物代謝能力，并在線發表了相關成果。

國際海底管理局正在積極推動區域環境管理計劃，首個環境管理計劃區域是東太平洋克拉里昂－克利珀頓斷裂帶區域，以保護太平洋深海結核采礦目標區的生物多樣性和生態系統功能。

全球海底蘊藏著豐富的多金屬結核資源，深海采礦的環境影響一直是國際社會高度關注的話題。近半個世紀以來，許多國家和地區的大量科學組織和團隊，針對深海采礦可能引起的環境破壞問題開展了系列影響調查和實驗研究，對底棲生物尤其是大型底棲生物的影響和恢復進行了大量監測和評估。然而，對于棲息在金屬結核沉積物環境中的微生物，面臨著重金屬、寡營養、高壓和低溫等極端環境條件的挑戰，對其在金屬結核礦床環境適應機制及其多樣性和代謝能力卻了解甚少。

研究人員通過對錳結核沉積物樣品深度宏基因組測序，重建了179個高質量基因組，并將其歸類為21個細菌門和1個古菌門。通過對這些基因組功能基因的解析，首次提出了不同微生物在金屬、碳、氮和硫循環中的作用證據。

研究結果顯示，在這些富含重金屬的沉積環境中，微生物已經進化出了對重金屬的抗性機制，主要包括通過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），以及上述兩者的協同作用（砷和銅）。研究發現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中具有重要潛在應用價值。

在這種寡營養的能量有限系統中，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。研究人員通過對優勢微生物的分析，發現它們擁有更高比例的與金屬、氮和硫代謝相關的功能基因，而分解碳水化合物的相關基因比例很低。這表明，通過氧化還原反應利用無機營養物（而不是有機營養物代謝）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的模型。

該研究結果可為國際海底管理局的區域環境管理計劃和國家多金屬結核資源開發與環境修復提供重要的科學支撐。