深海沉积物中碳固定功能的垂直分层及其与氧化还原过程的耦合机制

《ISME Communications》：Vertically stratified carbon fixation and coupling processes in deep-sea sediment

本研究针对深海沉积物中微生物碳固定的垂直分布规律及驱动机制这一关键科学问题，通过系统分析南海沉积物剖面（0-690 cm）的宏基因组数据，揭示了溶解无机碳（DIC）和铵盐（NH4+）是碳固定过程的主要环境驱动因子，发现了碳固定途径从浅层沉积物的卡尔文-本森-巴沙姆（CBB）循环和还原甘氨酸（rGLY）途径向深层沉积物的伍德-永达尔（WL）途径的垂直演替规律，并首次报道了Methylomirabilota、Dehalococcoidia和Aerophobota等关键类群在深海碳循环中的独特代谢特征，为深入理解深海生物圈的碳通量提供了重要理论依据。

　　

在覆盖地球表面约65%的深海沉积物中，蕴藏着地球上最大 yet 最未被充分探索的微生物碳固定宝库。这些神秘的微生物世界如同深海的"隐形森林"，通过化学合成作用每年固定高达370太克碳，其贡献相当于海洋中化学自养碳固定总量的48%。然而，与相对研究较多的近海沉积物不同，我们对深海沉积物中碳固定微生物的垂直分布规律、代谢途径多样性以及其背后的能量来源和环境驱动因素仍知之甚少。

特别是在大陆坡等深海区域，微生物如何沿着氧化还原梯度驱动碳固定过程，以及这些过程如何与氮、硫等元素循环相耦合，构成了深海碳循环研究的关键科学问题。传统的观点认为硫氧化是海洋沉积物中主要的化学自养过程，但这一认识主要基于对近海生态系统的研究。在能量极度受限的深海沉积环境中，微生物是否演化出了独特的碳固定策略？不同深度沉积物中的碳固定途径是否存在明显的垂直分层现象？这些问题的解答对于准确评估全球碳收支和预测气候变化背景下海洋生态系统的响应至关重要。

针对这些科学问题，由张云慧教授带领的研究团队在《ISME Communications》上发表了最新研究成果。研究人员利用前期在南海大陆坡（水深1250-3530米）采集的7米长沉积物岩心，选取了三个代表性站点的18个沉积物样品（深度间隔为0、5、50、190、390和690厘米），开展了系统的宏基因组学分析。

研究团队通过高质量的DNA提取和宏基因组测序，获得了每个样品约50 Gb的高质量数据。运用metaSPAdes进行序列组装，通过Prodigal预测基因，并采用严格的质量控制流程获得非冗余基因集。功能注释通过METABOLIC和KEGG HMM数据库完成，重点关注碳固定及相关代谢途径的关键基因。研究人员还构建了336个中等至高质量的宏基因组组装基因组（MAGs），其中85个被鉴定具有碳固定潜力。通过分子生态网络分析、Mantel检验和最大信息系数（MIC）分析等多种生物信息学方法，系统揭示了碳固定过程的垂直分布规律及其环境驱动机制。

环境因子对碳固定及相关代谢过程的驱动作用

研究发现，溶解无机碳（DIC）和铵盐（NH₄⁺）是影响碳固定及相关过程功能基因组成和微生物群落结构的最主要环境驱动因子。Mantel分析显示，DIC和NH₄⁺的变化与碳固定相关功能基因和微生物群落的变异表现出最强的相关性。这两种因子在0-90厘米深度处于相对较低水平，而在100-690厘米深度随沉积物深度增加而升高，这种同步变化趋势可能与沉积物中有机质降解过程中同时产生DIC和NH₄⁺有关。

MIC分析进一步表明，DIC和NH₄⁺能够解释66.7%-100%的碳固定途径基因家族变异，包括还原性三羧酸循环（rTCA）、WL途径、rGLY途径、反向氧化TCA循环（roTCA）、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸（3HP/4HB）和双羧酸/4-羟基丁酸（DC/4HB）循环。同时，这两种因子还对氮循环（厌氧氨氧化、亚硝酸盐氧化和反硝化）、硫循环（dsrAB和SOX系统）以及铁、甲酸和一氧化碳氧化过程的相关基因具有重要影响。

碳固定及相关过程的整体垂直变化趋势

研究发现了一个有趣的现象：碳固定功能基因的α多样性随沉积物深度增加而上升，而碳固定类群的分类学多样性却没有显著变化。这一发现表明，在深层沉积物中，每个细胞可能含有更多的碳固定基因，这反映了深海生物圈在持续能量限制和底物稀缺条件下发展的适应性策略。深层微生物往往保留多个碳固定或自养模块作为代谢冗余，使它们能够在零星或有限的能量和底物输入条件下在不同途径之间切换，维持代谢稳健性。

分子生态共现网络分析揭示了不同沉积深度网络结构和拓扑特征的显著差异。与中层和深层沉积物相比，表层沉积物网络更大更复杂，具有更多的节点和连接、更高的节点度、更高的平均路径距离和谐波测地距离，以及更低的模块性。随着深度增加，网络复杂性和连接性降低，但网络的传递性和连通性却有所增加，表明尽管深层沉积物中的碳固定网络节点和链接减少，但网络结构更加紧密和凝聚。此外，深层沉积物碳固定网络中的正相关性比例（90.13%）高于表层和中层（分别为85.64%和82.46%）。

碳固定及相关过程基因谱的垂直变化

碳固定途径标记基因的分布呈现出明显的需氧（0-10厘米）和厌氧沉积物（50-690厘米）分层现象。CBB循环中的RuBisCO大亚基（rbcL）和磷酸核酮糖激酶（prkB）编码基因在所有深度普遍存在，而RuBisCO小亚基（rbcS）编码基因主要存在于0-5厘米深度，表明CBB循环在含氧沉积物中占主导地位。相比之下，WL途径中的厌氧一氧化碳脱氢酶（acsA）和乙酰辅酶A合成酶（acsB）编码基因的丰度随沉积物深度增加而升高，在190-690厘米深度达到最高。类似的，另一种厌氧碳固定途径rTCA循环也在50-690厘米深度富集，但其关键基因丰度低于WL循环。

在作为电子供体的氧化过程方面，氮化合物氧化是碳固定的重要能量来源。研究发现，与厌氧氨氧化和氨氧化相关的hzoA、hzsA和amoABC基因在0-5厘米深度丰度最高，负责将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的nxrAB基因在0-5厘米深度丰度极高并随深度增加而降低。这些结果表明氮化合物氧化，特别是亚硝酸盐氧化，可能是浅层沉积物中碳固定的主要驱动力。

与氮循环相比，可能与碳固定耦合的硫循环相关基因的相对丰度较低，这与现有认为硫氧化是沿海沉积物中主要化学自养过程的报告不同。硫化合物氧化主要发生在上部190厘米的表层和中层沉积物中。对于其他潜在的能量来源，负责H₂氧化（[NiFe]-氢化酶）、HCOOH氧化（fdhAB）和CO氧化（cooSF）的基因相对丰度通常随沉积物深度增加而增加，表明H₂/HCOOH/CO氧化可能是中层和深层沉积物中碳固定的主要电子供体和能量来源。

碳固定及耦合过程的基因组能力

研究共获得了336个MAGs（完整性>85%，污染<5%），其中85个被预测具有碳固定潜力。WL途径广泛分布于深层沉积物中的厌氧MAGs，属于Desulfobacterota、Chloroflexota、Aerophobota和Thermoplasmatota等类群（52/85）。大多数（48/52）含有完整的羰基分支，这是WL途径的核心组件。

CBB途径在0-10厘米表层沉积物中的Gammaproteobacteria和Methylomirabilia的10个MAGs中被预测，所有都表现出100%的途径完整性。3HP/4HB循环的关键基因仅在氨氧化的Nitrososphaeria古菌中发现，并在表层沉积物中表现出异常高的丰度。rTCA途径在10厘米以上深度的Nitrospirota的3个MAGs中被预测，而DC/4HB途径的关键基因在深层沉积物的MAGs中被注释，包括三个古菌（两个Thermoplasmatota和一个Asgardarchaeota）和两个细菌（Desulfobacterota和Chloroflexota）MAGs。

研究发现，在深层沉积物中，CO、HCOOH和H₂氧化是碳固定的关键能量来源。大多数具有WL途径的Chloroflexota细菌也含有CO和HCOOH氧化基因，部分还含有H₂氧化基因。类似的，深层Aerophobota MAGs通过CO和HCOOH氧化支持其WL途径。在0-50厘米沉积层中，Gammaproteobacteria中的多种碳固定途径（CBB、rGly和rTCA）主要由硫氧化支持，而各种氮还原过程提供电子受体。表层沉积物中高丰度的Methylomirabilota中的CBB循环主要由亚硝酸盐氧化驱动。

沉积物中优势碳固定微生物的代谢特征

研究进一步深入研究了深海沉积物中高丰度的代表性碳固定MAGs的详细代谢过程。在10厘米以上的沉积物中，五个具有完整CBB循环的Methylomirabilota CSP1-5 MAGs丰度很高，特别是在具有高NO₂^-浓度的5-10厘米层。它们的碳固定过程主要由亚硝酸盐氧化驱动，硫化合物作为电子受体。近乎完整的TCA循环、糖酵解/糖异生和磷酸戊糖途径（PPP）表明这些Methylomirabilota MAGs是混合营养的。

一个Chloroflexota中的Dehalococcoidia MAG（008-690-bin114）在690厘米深度表现出极高的丰度。该MAG含有一个完整的WL途径，包括四氢叶酸（THF）依赖的甲基分支和羰基分支。H₂氧化可能是驱动WL途径的主要能量来源，而亚硒酸盐还原可能作为一个独特的电子受体。完整的糖酵解/糖异生和PPP途径在该MAG中发现，而不完整的TCA循环可能主要功能是提供代谢中间体。

七个Aerophobota MAGs在190厘米以下的深层沉积物中也显示出高丰度，含有由氢氧化支持的完整WL途径。关于碳水化合物代谢，这些Aerophobota MAGs含有近乎完整的糖酵解/糖异生途径和完整的PPP途径，尽管它们的TCA循环不完整。多样的跨膜糖转运蛋白基因的存在进一步表明它们利用沉积物中保存的碳水化合物的能力。

研究结论与意义

本研究对南海深海沉积物中碳固定微生物群落的深入调查揭示了多种碳固定途径的垂直分层现象，这与氧气、DIC和电子供体/受体的可用性密切相关。CBB循环和rGLY途径在表层沉积物中占主导地位，主要由亚硝酸盐氧化和反硝化过程支持。相比之下，由氢和一氧化碳氧化驱动的WL途径在厌氧的深层沉积物中占主导地位。

深海沉积物中碳固定途径和能量来源的转变与在沿海沉积物中观察到的不同，来自Methylomirabilota、Dehalococcoidia和Aerophobetes的代表性碳固定类群与其他环境中的对应物相比表现出不同的代谢特征。这些发现强调了深海沉积物微生物在全球碳封存中的作用，为了解它们在能量限制下的恢复力及其驱动生物地球化学循环的能力提供了重要见解。

该研究的创新之处在于首次系统揭示了深海沉积物碳固定途径的垂直演替规律，发现了深层沉积物微生物通过维持更大多样性的碳固定基因来适应能量限制环境的独特策略，并报道了关键微生物类群在深海环境中的特殊代谢特征。这些认识不仅深化了我们对深海碳循环机制的理解，也为准确评估全球碳收支和预测气候变化背景下海洋生态系统的响应提供了重要科学依据。