研究揭示深海锰结核区沉积物微生物代谢适应机制

　　国际海底管理局正在积极推动区域环境管理计划，首个环境管理计划区域是东太平洋克拉里昂－克利珀顿断裂带区域，以保护太平洋深海结核采矿目标区的生物多样性和生态系统功能。

　　中国科学院海洋研究所联合自然资源部第二海洋研究所和华中农业大学，系统研究了该区域的锰结核沉积物微生物代谢能力，相关成果近期在国际学术期刊《微生物组》发表。

　　全球海底蕴藏着丰富的多金属结核资源，深海采矿的环境影响一直是国际社会高度关注的话题。近半个世纪以来，许多国家和地区的大量科学组织和团队，针对深海采矿可能引起的环境破坏问题开展了系列影响调查和实验研究，对底栖生物尤其是大型底栖生物的影响和恢复进行了大量监测和评估。然而，对于栖息在金属结核沉积物环境中的微生物，面临着重金属、寡营养、高压和低温等极端环境条件的挑战，对其在金属结核矿床环境适应机制及其多样性和代谢能力却了解甚少。

　　研究人员通过对锰结核沉积物样品深度宏基因组测序，重建了179个高质量基因组，并将其归类为21个细菌门和1个古菌门。通过对这些基因组功能基因的解析，首次提出了不同微生物在金属、碳、氮和硫循环中的作用证据。

　　研究结果显示，在这些富含重金属的沉积环境中，微生物已经进化出了对重金属的抗性机制，主要包括通过酶催化的金属氧化还原（锰、铬和汞）、膜转运蛋白介导的金属运输（铅），以及上述两者的协同作用（砷和铜）。研究发现了大量金属氧化还原酶基因，这些基因资源在重金属的生物修复中具有重要潜在应用价值。

　　在这种寡营养的能量有限系统中，微生物主要通过对金属（主要是锰）和硫化合物的氧化来获取能量。在此过程中，大部分硝酸盐被还原为一氧化氮，排入海水中。研究人员通过对优势微生物的分析，发现它们拥有更高比例的与金属、氮和硫代谢相关的功能基因，而分解碳水化合物的相关基因比例很低。这表明，通过氧化还原反应利用无机营养物（而不是有机营养物代谢）获取能量是微生物在锰结核沉积物中维持生存的主要适应策略。基于上述研究，研究人员提出了锰结核区沉积物中微生物生态的模型。

　　该研究结果可为国际海底管理局的区域环境管理计划和国家多金属结核资源开发与环境修复提供重要的科学支撑。

　　研究得到了国家自然科学基金和中国科学院先导专项等资助。