我所“深海微生物创新团队”在海底有机物原位矿化微生物方面取得新进展

近日，我所“深海微生物代谢机制与环境作用创新团队”（以下简称团队）先后在微生物学与环境科学国际知名学术期刊《mSystems》（JCR一区期刊，IF 7.3）和《Science of the Total Environment》（JCR一区TOP期刊，IF 10.8）上分别发表了题为“Frequent Occurrence and Metabolic Versatility of Marinifilaceae Bacteria as Key Players in Organic Matter Mineralization in Global Deep Seas”和“Lignin-oxidizing and xylan-hydrolyzing Vibrio involved in the mineralization of plant detritus in the continental slope”的研究成果。

1. 深海微生物原位培养技术研发与应用

海洋是地球上最大的碳库。在大陆架及大洋环境中，每年有大量陆地和海洋来源有机物输入到海底。当浮游动物粪便、尸体、木块与植物碎屑沉降到深海后，哪些微生物参与有机物的降解，仍很不确定。 为回答这些问题，团队牵头研制了深海微生物原位长期富集系统，来发现真正的深海原位分解者。从海试到多个大洋航次成果应用，该团队连续在南海深海海底、西太平洋海山、东太平洋海底平原和西南印度洋海底等不同深海环境开展了4-17个月的长期原位实验。结合室内分析，发现了有机物海底厌氧降解的独特菌群结构和功能类群，揭示了不同微生物对海底快速沉降有机物的响应过程。原位富集与菌群分析相关成果已预印发表（文章链接：https://www.researchsquare.com/article/rs-1700182/v3）。

针对深海木质素、纤维素、蛋白质等大分子有机物降解优势类群的多样性、全球分布特征、有机物降解机制和深海环境适应性，开展了深入研究。研究结果为评估海洋储碳过程中的微生物影响提供不可替代的原位观测依据。

2. 弧菌是大陆架深海原位木质素氧化与半纤维素水解的优势菌

原位数据发现发现，在南海3000多米深海海底，水解、矿化植物纤维素与木质素的是一组特殊的弧菌（Vibrio）。尽管弧菌在海洋中非常常见，但在其深海海难降解有机物矿化中的作用未见报道。该研究发现，在南海海底富集菌群中，弧菌的相对丰度显著高于另外印度洋、太平洋海底富集物，暗示深海弧菌可能在大陆架边缘海海底对植物来源有机物的矿化发挥重要作用。优势弧菌包括Vibrio harveyi、Vibrio alginolyticus、Vibrio diabolicus和Vibrio parahaemolyticus，而且在全基因组系统进化树上聚集成簇。实验研究发现，海底来源的弧菌在厌氧和有氧条件下均可利用木质素和木聚糖生长。胞外酶检测发现，深海弧菌在氧化木质素的过程中LiP氧化酶起到最重要的作用；基因组和转录组分析，发现深海弧菌在多种过氧化物酶（KatG、LiP和DyP）、超氧化物歧化酶（MnSOD和FeSOD）等的协同作用下将木质素解聚并最终氧化（图1）。结果暗示，在大陆架边缘海海底，深海特殊功能类群弧菌对海岸带与陆地植物来源木质素等有机物、解聚与矿化过程中所发挥着关键作用，进而可能影响到陆源有机物的大陆架埋藏与转化，并驱动了元素生物地球化学循环。

图1边缘海海底特殊弧菌类群在陆源植物大分子矿化与元素循环中的作用

3. 大洋深海有机物厌氧降解优势菌Marinifilaceae：多样性及代谢机制

通过深海原位培养系统发现，Marinifilaceae （MF）科的细菌存在于不同大洋深海有机物的深海富集物中，是一类全球分布的重要厌氧有机物降解菌。全基因组系统进化分析发现，MF类群主要分为9个分支（MF-1至9）。不同分支的MF类群具有不同的有机物降解机制和环境适应性机制。其中，MF-2亚群擅长水解多种水解多糖（纤维素、木聚糖、淀粉、果胶、淀粉、含N -乙酰基的多糖等），并能氧化木质素。更有意思的是，其在木质素氧化过程耦合着生物固氮，补充植物有机物中的氮匮乏；而MF-1、MF-3和MF-4类群擅长水解蛋白质。宏转录组数据证明，不同类群在深海原位环境下的代谢活性（图2）。 根据全球数据发现，MF类群广泛分布于全球海洋各类环境中。特别是，在有机物丰富的环境中，MF平均丰度显著高于寡营养环境，暗示MF细菌可能属于机会主义者，等待着海洋中大块有机物沉降的”盛宴”。MF细菌在海洋有机物的厌氧矿化过程中发挥着关键作用，并与其他元素（硫、氮和金属元素）的原位生物地球化学循环相耦合，对全球生物地球化学循环可能有不可替代的作用。其在海洋有机物矿化、生物固氮中的作用与生态贡献值得进一步关注。

图2 Marinifilaceae不同类群在海底有机物厌氧降解、生物固碳与元素循环中的作用

第一作者：李建洋，为我所与天津大学联合培养博士研究生；致谢：该研究先后得到科技部海洋863、国家自然科学基金、中国大洋专项和所科研基金等项目的支持。

通讯作者：该创新团队首席、项目负责人邵宗泽研究员以及以及天津大学汪光义教授。

主要研究人员还包括：董纯明副研究员（海洋三所）、周东辉（杭州电子大学）等。

两篇论文已在线发表，并分别与2022年11月和2023年1月正式发表，论文链接为：

https://journals.asm.org/doi/10.1128/msystems.00864-22

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722058132