全球海底蘊藏著豐富的多金屬結核資源,。因富含多種戰(zhàn)略性金屬,，這些資源被認為是當今最具開發(fā)潛力的海底礦床類型。而這些資源主要分布在水深4000至6000米的深海平原,，一般遠離陸地,，生產力極低,。近半個世紀以來，許多國家和地區(qū)的科學組織和團隊針對深海采礦可能引起的環(huán)境破壞問題,，開展了影響調查和實驗研究,，監(jiān)測和評估了底棲生物尤其是大型底棲生物的影響和恢復。而棲息在金屬結核沉積物環(huán)境中的微生物面臨著重金屬,、寡營養(yǎng),、高壓和低溫等極端環(huán)境條件的挑戰(zhàn)，鮮有關于微生物在金屬結核礦床環(huán)境適應機制及多樣性和代謝能力的研究,。

深海采礦的環(huán)境影響是備受關注的話題,。目前，國際海底管理局（ISA）正在積極推動區(qū)域環(huán)境管理計劃（REMPs）,。首個REMPs區(qū)域是東太平洋克拉里昂-克利珀頓斷裂帶區(qū)域（CC區(qū)）,，旨在保護太平洋深海結核采礦目標區(qū)的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能。中國科學院海洋研究所聯(lián)合自然資源部第二海洋研究所,、華中農業(yè)大學,，系統(tǒng)研究了CC區(qū)的錳結核沉積物微生物的代謝能力。近期,，相關研究成果發(fā)表在《微生物》（Microbiome）上,。研究通過對錳結核沉積物樣品深度宏基因組測序，重建了179個高質量的基因組（MAGs）,，并歸類為21個細菌門和1個古菌門,。研究解析了MAGs功能基因，提出了不同微生物在金屬,、碳,、氮和硫循環(huán)中的作用證據。該研究可為國際海底管理局區(qū)域環(huán)境管理計劃和國家多金屬結核資源開發(fā)與環(huán)境修復提供重要科學支撐,。

研究顯示,，在這些富含金屬的沉積環(huán)境中，異養(yǎng)和化能自養(yǎng)微生物已進化出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(xié)同作用（砷和銅）,。鐵和錳是沉積物環(huán)境含量最高的兩種金屬,，鐵可能以鐵（Ⅲ）形式被微生物作為電子傳遞鏈中的胞外電子受體，錳氧化微生物主要將錳（Ⅱ）氧化為錳（Ⅲ）或錳（Ⅳ）,，而錳離子的轉運較少,。這凸顯了該氧化反應對微生物在能量有限系統(tǒng)中維持生存的重要性。屬于Thaumarchaeota門或Nitrospirota門的5個化能自養(yǎng)微生物被發(fā)現(xiàn)具有潛在的錳氧化能力,。而大量金屬氧化還原酶基因的發(fā)現(xiàn),，包括Mn（Ⅱ）氧化酶,、Fe（Ⅲ）還原酶、Cr（Ⅳ）還原酶,、As（Ⅲ）氧化酶和Hg（Ⅱ）還原酶等,，為重金屬生物修復中的潛在應用提供了重要的遺傳基因資源。

研究發(fā)現(xiàn),，除了氧氣和鐵（Ⅲ）,，微生物主要利用硝酸鹽作為電子受體，通過對金屬和硫化合物的氧化獲取能量,。硝酸鹽大部分被還原為一氧化氮排入海水中,。此外，具有多樣化碳水化合物酶（CAZymes）的微生物未表現(xiàn)出更高的群落豐度,。研究對優(yōu)勢微生物的功能分析表明,，它們攜帶了更高比例的與金屬、氮和硫代謝相關的功能基因,，而CAZymes較低,。因此，通過氧化還原反應利用無機營養(yǎng)物（而不是有機營養(yǎng)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,，科研人員提出了錳結核區(qū)沉積物中微生物生態(tài)的模型,。 ?????　 ?

研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。 ?

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深海錳結核區(qū)沉積物中優(yōu)勢微生物類群的代謝功能