服务国家“双碳”战略

相关菌株：

Sulfurimonas sp. HSL-1656=MCCC 1A17955

Sulfurimonas sp. HSL-1716=MCCC 1A17957

Sulfurimonas sp. HSL-3221=MCCC 1A18427

Sulfurimonas sp. HSL1-6=MCCC 1A18693

Sulfurimonas sp. HSL3-7=MCCC 1A18694

Sulfurimonas sp. HSL3-1=MCCC 1A18844

Sulfurimonas sp. HSL3-2=MCCC 1A19147

Sulfurimonas sp. HSL1-2=MCCC 1A19178

Sulfurimonas sp. HSL-C5=MCCC 1A19556

Sulfurovum sp. HSL1-3=MCCC M25234

服务背景：化能自养微生物——红树林沉积物中被忽视的黑暗氮固定者。红树林作为海陆过渡地带的典型河口湿地生态系统，是最重要的蓝碳生态系统之一，其沉积物生境具有贫氧、高硫和富营养等特征。同时，由于季节性潮汐的作用，该系统也被认为受到氮元素供应限制。因此研究红树林生物固氮及固氮微生物群落对于全面阐明红树林生态系统的营养状况和生态功能至关重要。研究证实了化能自养型固氮菌是红树林沉积物中产生可利用态氮素的主要贡献者，极大地扩大了固氮微生物的类群，在红树林碳、氮及硫等元素循环中发挥着重要作用。

服务对象：国家“双碳”战略

        取得成效：利用原位理化参数、宏基因组、宏转录组测序及活性测量相结合的方法，对漳州九龙江红树林表层沉积物（0-20 cm）的固氮微生物群落进行了研究。发现固氮基因活性与固碳基因（aclB、cbbL、acsB），硫氧化基因（soxB）以及氢氧化基因（hya）之间存在较强且显著的相关性, 暗示固氮与化能自养存在显著的相关性。重建了36个携带含有nifH的高质量宏基因组组装基因组（MAGs），并发现了几个候选门也具有固氮潜能，拓展了固氮微生物类群的多样性（图1）。

图1. 固氮 MAGs 及其 NifH 蛋白序列的最大似然系统发育树

A，含固氮基因的36个 MAGs 的核心基因组进化分析。B，36个MAGs中已鉴定的NifH 蛋白序列系统发育分析。携带固定碳基因的 MAGs 用不同的符号表示。

进一步分析表明，在0-18 cm 层，化能自养弯曲菌纲Campylobacteria是最丰富且最活跃的固氮类群，表明它们在红树林沉积物氮固氮过程中发挥着重要作用，这与高通量测序结果原位高丰度一致。此外，其他化能自养类群Gammaproteobacteria、Zetaproteobacteria和 Thermodesulfovibrionia也积极参与0-18 cm层的原位固氮。而在18-20 cm，Desulfobacterota和Halobacteriota 等成员丰度最高，且具有原位转录活性，暗示这些类群可能在较深的沉积物发挥固氮作用(图2）。相比之下，Myxococcota, Bacteroidota和Spirochaetota等异养微生物的nifH转录本没有表达，而这些微生物在其他厌氧环境中被认为是主要的固氮微生物。此外，通过对编码nifH 的不同固碳途径的优势化能自养 MAGs 代谢潜力分析表明，氢氧化、硫氧化和铁氧化是红树林表层沉积物中固氮过程的重要供能途径。通过活性测量实验进一步证实与有机电子供体（如蔗糖）相比，红树林沉积物中的固氮微生物更优先使用无机电子供体（如 硫元素）等作为能源。

图2. 不同红树林沉积物深度固氮 MAGs 的相对丰度及转录表达

A，使用CoverM 估计每个MAG 的相对丰度（%）。B，每个MAG的转录本表达以每百万转录本（TPM）为单位表示。

分离获得10株原位高丰度菌株如HSL-C5, HSL1-2, HSL1-3, HSL3-1, HSL3-2和 HSL3-7等，除了有三株属于Sulfurimonas, Sulfurovum外，另外7株属于弯曲菌门Campylobacterota三个新属。基因组分析这些菌株均具有完整的固氮酶基因簇，这与之前从深海热液区等分离的菌株不同。进一步通过氮同位素标记实验进一步证实了这些化能自养菌可以利用还原性硫化合物和氢气作为主要的能源固氮，并且氢气是最适的能源。

总之，研究结果表明，在九龙江红树林表层沉积物中，化能自养固氮而不是异养重氮驱动黑暗氮固定过程，并强调了在碳主导环境中广泛分布的化能自养微生物的重要性。

 

（参考文献）Wang S, Jiang L, Zhao Z, Chen Z, Wang J, Alain K, Cui L, Zhong Y, Peng Y, Lai Q, Dong X, Shao Z. Chemolithoautotrophic diazotrophs dominate dark nitrogen fixation in mangrove sediments. ISME J. 2024 Jan 8;18(1):wrae119. doi: 10.1093/ismejo/wrae119. PMID: 38916247; PMCID: PMC11474244. （IF 11.217)。

汇编：Li G.

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