重大发现！深海冷泉 ——21 门微生物驱动的深海氮损失潜在热点区域

为解决深海冷泉氮损失过程及微生物群落不明的问题，中国自然资源部第三海洋研究所研究人员开展相关研究。结果发现冷泉是氮损失热点，由多种微生物介导。该研究对理解海洋氮循环意义重大，推荐科研读者阅读。

　　

中国自然资源部第三海洋研究所（Key Laboratory of Marine Genetic Resources, Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources）的研究人员 Qiuyun Jiang 等人在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Cold seeps are potential hotspots of deep-sea nitrogen loss driven by microorganisms across 21 phyla” 的论文。这篇论文对于深入理解深海冷泉（cold seeps）生态系统中的氮循环过程，以及其在全球生物地球化学循环中的作用具有重要意义，为海洋生态环境研究领域开拓了新的视野，也为后续相关研究提供了关键的理论依据和数据支持。

研究背景：深海冷泉氮循环的神秘面纱待揭

氮元素的生物可利用性由固氮和氮损失过程共同调控，这一过程对海洋生产力以及全球生物地球化学循环至关重要。深海冷泉是一种特殊的海洋环境，主要分布在大陆坡和俯冲带附近。在这里，富含硫化氢和甲烷等碳氢化合物的地下流体从海底渗出，滋养着以甲烷厌氧氧化（anaerobic oxidation of methane，AOM）为核心的复杂生态系统。在这个生态系统中，所有生物的生长都依赖于生物可利用氮，它是限制生物生产力的关键因素 。因此，了解冷泉中氮收支平衡的过程十分必要。

在海洋沉积物中，反硝化作用（denitrification）和厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，anammox）是两个主要的微生物氮损失过程。然而，在深海冷泉环境中，对氮损失过程及相关微生物群落的研究相对较少。而且，反硝化作用和厌氧氨氧化在冷泉氮收支平衡中的确切贡献尚不明确。这就如同在黑暗中摸索，研究人员急需找到照亮这片未知领域的光源，于是，开展这项研究就显得尤为迫切。

研究方法：多技术联用，解锁冷泉氮循环密码

为了深入探究冷泉氮损失过程，研究人员采用了多种先进技术方法。在样品采集方面，研究人员使用遥控潜水器（ROV）在 2020 - 2024 年间从中国南海的陵水、海马和 F 站点等冷泉区域采集了 324 个沉积物样本。这些样本如同珍贵的 “宝藏”，为后续研究提供了基础。

在分析手段上，研究人员结合了地球化学测量、稳定同位素示踪分析、宏基因组学、宏转录组学以及三维蛋白质结构模拟等多种技术。地球化学测量用于分析沉积物和孔隙水中各种物质的浓度，如硫酸根离子（）、铵离子（）、硝酸根离子（）等，就像是给冷泉环境做了一次全面的 “体检”，了解其基本的化学状况。稳定同位素示踪分析则能追踪氮的转化过程，通过标记氮同位素，研究人员可以清晰地看到氮在不同过程中的去向，仿佛给氮原子装上了 “定位器” 。宏基因组学和宏转录组学技术让研究人员能够从基因层面深入了解微生物群落，分析与氮损失相关的基因（如 nosZ、nod、hzSA 等）及其表达情况，这相当于打开了微生物世界的 “基因宝库”，挖掘其中的秘密。三维蛋白质结构模拟则帮助研究人员进一步探究相关蛋白质的结构和功能，了解微生物在冷泉环境中的适应性机制，如同给微生物的 “工作机器”—— 蛋白质进行了一次精细的拆解和分析。

研究结果：冷泉氮循环的惊人发现

1. 地球化学证据表明冷泉沉积物中存在氮损失：研究人员对采集的 324 个沉积物样本进行地球化学测量。结果发现，不同冷泉站点的孔隙水硫酸根离子浓度随深度变化明显，且与甲烷通量相关。溶解无机氮的主要形式是铵离子，不同站点的浓度有所差异。同时，在部分岩芯中检测到氮气（）浓度随深度增加，且其值显示出强烈的反硝化和厌氧氨氧化活动。此外，总有机碳（TOC）、总氮（TN）以及 TOC:TN 比值在不同站点和深度也有所变化，且研究发现微生物氮损失过程所需的金属辅因子在所有研究沉积物中都很丰富。通过这些地球化学证据，研究人员确定冷泉沉积物中确实存在氮损失现象。
2. 泥浆实验显示冷泉沉积物中氮损失速率较高：研究人员通过对陵水、海马、F 站点、神狐和琼东南等地的沉积物样本进行泥浆实验（slurry experiments），并利用氮同位素示踪技术测定潜在氮损失速率和厌氧氨氧化对氮气产生的贡献。结果发现，冷泉区域的反硝化和厌氧氨氧化速率显著高于非冷泉区域。在冷泉中，平均潜在反硝化速率为，厌氧氨氧化速率为 。尽管厌氧氨氧化的贡献低于之前在深海沉积物中的测量值，但与大陆坡和深海环境中的值相当。研究还发现，反硝化是冷泉环境中的主要氮损失过程，厌氧氨氧化约占总氮损失的。此外，部分冷泉站点的氮损失速率极高，可与高温的河口和沿海环境相媲美，远高于典型深海沉积物。研究人员通过计算得出，全球冷泉沉积物顶部 5 厘米处的反硝化和厌氧氨氧化导致的氮损失通量约为每年 4.96 - 7.63 Tg N，占全球海洋沉积物氮损失的 1.65 - 2.54%，这表明冷泉是深海沉积物中潜在的氮损失热点区域。
3. 近表层沉积物是氮损失基因多样性的热点：研究人员利用包含 1.47 亿个非冗余基因的基因目录，对与氮损失相关的基因（NosZ、Nod、HzsA）的多样性进行研究。他们发现了 530 个 NosZ 序列、151 个推定的 Nod 序列和 644 个 HzsA 序列，并对这些序列进行了详细分类。研究还发现，NosZ 基因的水平转移可能在深海冷泉中携带 NosZ 的反硝化微生物的多样化中发挥重要作用。此外，研究人员对氮损失基因的丰度、表达和深度分布进行了探究，发现这些基因在冷泉沉积物表面的表达水平较高，且其分布随深度变化，在浅表层（0 - 40 cmbsf），氮损失基因的丰度与深度呈正相关，而在更深的沉积物中则呈负相关。通过相关性分析，研究人员发现和是与浅表层氮损失基因相关性最强的环境因素。
4. 冷泉反硝化菌的 NosZ 和 Nod 蛋白具有显著结构多样性：从 3164 个宏基因组组装基因组（MAGs）中，研究人员鉴定出 142 个 NosZ 序列和 5 个 Nod 基因。NosZ 序列分为 clade I 和 clade II，它们在结构和功能上存在差异，且分布在不同的微生物门中，这大大扩展了潜在氧化亚氮还原菌的遗传多样性。Nod 基因则在两个细菌门的五个 MAGs 中被发现，其结构具有保守性，且相关基因簇包含多种参与氮代谢过程的基因，这表明冷泉中进行一氧化氮歧化反应的细菌能力比之前认为的更广泛。
5. 发现除了 Planctomycetota 门之外，多个门的细菌也具有厌氧氨氧化的遗传潜力：在 3164 个 MAGs 中，研究人员鉴定出 265 个 hzsA 基因，这些基因分布在 10 个细菌门的 94 个 MAGs 中，大大拓宽了潜在厌氧氨氧化细菌的系统发育多样性。研究还发现，部分 MAGs 含有多个 hzsABC 基因簇，且这些 MAGs 不仅具有厌氧氨氧化代谢所需的基因，还具有其他氮代谢过程的基因，展现出多功能的代谢能力。此外，研究人员对新发现的 HzsA 蛋白进行结构分析，发现其具有一些独特的结构特征，这些结构适应可能使它们更适合冷泉的特殊环境。

研究结论与讨论：冷泉在全球氮循环中的重要角色

综合以上研究结果，研究人员得出结论：冷泉是深海中被忽视的氮损失热点区域，其氮损失过程由多种微生物群体介导，包括新发现的厌氧氨氧化细菌门类。这一结论改变了人们对冷泉生态系统在全球氮循环中作用的认识。

在过去，基因注释主要依赖序列相似性，这可能会忽略一些功能相似但序列差异较大的基因。而本研究通过蛋白质结构分析，发现 NosZ clade II 在深海冷泉中的多样性和丰度比之前认为的要高得多，这对于理解其在冷泉中消耗的作用具有重要意义。此外，研究还发现 Planctomycetota 门以及 Flavobacteriales 和 Cytophagales 目等微生物可能通过一氧化氮歧化反应对氮损失有重要贡献，并且这些微生物还可能作为氧气生产者，与冷泉生态系统中缺氧层内的好氧甲烷和硫化物氧化菌的存在有关。更为重要的是，研究证实厌氧氨氧化细菌存在于多个门中，这些此前被忽视的谱系积极表达厌氧氨氧化基因，表明冷泉中厌氧氨氧化过程的微生物多样性远超以往认知。

这项研究为深海冷泉生态系统的研究开辟了新的方向。它揭示了冷泉在全球氮循环中的重要作用，不仅拓宽了人们对冷泉生态系统功能的认识，也为进一步研究深海微生物在全球生物地球化学循环中的作用提供了重要线索。未来，研究人员可以利用原位技术和先进的建模方法，更精确地测量冷泉中的氮损失速率，深入探究冷泉微生物群落的生态功能和相互作用机制，从而更全面地理解冷泉生态系统及其在全球环境变化中的响应和反馈。