深海锰结核区沉积物微生物代谢和适应机制揭示

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科技日报记者 宋迎迎 通讯员 王敏

3日，记者从中国科学院海洋研究所获悉，该所联合自然资源部第二海洋研究所、华中农业大学，通过对东太平洋克拉里昂－克利珀顿断裂带区域（CC区）锰结核沉积物微生物代谢能力进行系统研究，揭示了深海锰结核区沉积物微生物代谢和适应机制，提出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。相关成果近日发表于国际学术期刊《微生物组》。

太平洋深海多金属结核区。

多金属结核又称锰结核，因其富含锰、铁、铜、钴、镍等30多种金属元素而得名。中国科学院海洋研究所副研究员张德超接受记者采访时说，多金属结核矿主要分布在水深4000—6000米的深海平原，被认为是当今最具开发潜力的海底矿床类型。近半个世纪以来，许多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，然而，对于栖息在金属结核沉积物环境中的微生物以及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。

由中国科学院海洋研究所、自然资源部第二海洋研究所、华中农业大学科研人员组成的研究团队，对CC区的锰结核沉积物微生物代谢能力开展了系统研究，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。

“我们通过对锰结核沉积物样品进行深度宏基因组测序，重建了179个高质量基因组，并对这些基因组功能基因进行了解析。结果发现，在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，比如，通过酶催化的氧化还原反应，将锰、铬和汞转化为毒性更低的价态；通过膜转运蛋白介导的金属运输将细胞内有毒的铅排出胞外。”张德超介绍，研究组在研究中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。

深海锰结核区沉积物中微生物主导的生态功能模型。

研究结果显示，在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。

（中国科学院海洋研究所供图）

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