墨西哥湾深海底沉积物微生物群落中与烃类降解相关的替代碳和能量代谢的广泛分布及其生态意义

《Environmental Microbiome》：Alternative carbon and energy metabolisms linked to hydrocarbon degradation are widely distributed across the different microbial communities from deep-sea sediments of the Gulf of Mexico

本研究针对墨西哥湾深海底沉积物中微生物群落如何适应营养限制并降解烃类这一关键科学问题，开展了基于16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组学的综合分析。研究发现，深度是驱动微生物群落结构的主要因素，浅层（<1,000 m）和深层（>1,200 m）沉积物中存在明显的群落组成和功能分区；Deltaproteobacteria主导浅层沉积物的氨基酸和能量代谢，而Alphaproteobacteria和Thaumarchaeota则在深层占优势。研究揭示了与烃类降解相关的替代碳和能量代谢途径在不同微生物群落中广泛分布，为理解深海寡营养环境中微生物的适应策略和生态系统功能提供了重要见解。

　　

在浩瀚的海洋深处，阳光无法抵达，压力巨大，温度接近冰点，营养物质极其匮乏。然而，这片看似生命禁区的深海底沉积物中，却栖息着数量庞大、种类繁多的微生物。它们是地球生物地球化学循环的“无名英雄”，默默驱动着有机和无机分子的转化，维系着深海生态系统的运转。尤其值得注意的是，在像墨西哥湾这样的区域，深海底沉积物不仅面临持久的寡营养压力，还间歇性地受到来自自然渗漏或人类活动（如石油开采）的烃类化合物输入。这种“能量匮乏”与“偶尔盛宴”并存的独特环境，对微生物的生存策略提出了严峻挑战：它们如何在这种双重选择压力下生存、繁衍并发挥生态功能？微生物群落的结构和功能又如何随着海水深度的增加而发生变化？回答这些问题，对于理解深海生态系统的韧性、预测其对环境变化的响应以及评估烃类污染的自然修复潜力至关重要。

长期以来，由于深海采样技术的限制，科学家对这片“黑暗世界”中的微生物生命知之甚少。传统的培养方法只能揭示不到1%的微生物多样性，大量未培养的微生物及其代谢潜能仍是未知领域。尽管近年来高通量测序技术的发展，特别是16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组学的应用，为我们打开了一扇窥探深海微生物世界的窗口，但在功能注释和代谢推断方面仍存在显著的知识缺口。墨西哥湾作为一个受原油渗出和石油开采活动影响的典型区域，其深海底沉积物是研究微生物如何适应烃类输入和深度梯度的理想天然实验室。此前的研究表明，墨西哥湾沉积物中的微生物多样性受到深度、温度、氧气等多种环境梯度的影响，并且群落能对碳输入做出快速响应。然而，对于微生物群落沿深度梯度发生的代谢功能转变，特别是与烃类降解相关的替代碳和能量代谢途径的分布与耦合，尚缺乏系统性的基因组学证据。

为了填补这一知识空白，由Monica Torres-Beltran和Mario Hernandez-Guzman等研究人员领导的研究团队，对墨西哥湾专属经济区内的两个区域——Coatzacoalcos和Perdido的深海底沉积物中的原核微生物群落进行了深入探究。他们的研究成果发表在《Environmental Microbiome》上，题为“Alternative carbon and energy metabolisms linked to hydrocarbon degradation are widely distributed across the different microbial communities from deep-sea sediments of the Gulf of Mexico”。这项研究克服了传统采样的局限，成功获取了最深达3,205米的沉积物样本，并结合16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组学分析，系统揭示了深度梯度下微生物群落的结构变化、功能分区以及与烃类降解相关的代谢潜能。

为开展此项研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术：1. 沉积物样本采集与DNA提取：于2016年2月至3月期间，利用箱式采样器在墨西哥湾Coatzacoalcos和Perdido区域的18个站点采集深海底沉积物样本（深度范围~44-3,573米），并从沉积物中提取总DNA。2. 16S rRNA基因扩增子测序与分析：针对16S rRNA基因V4高变区进行PCR扩增，使用Illumina MiSeq平台进行测序，并利用QIIME2流程和DADA2算法进行质控、去噪和扩增子序列变异（ASV）分析。3. 宏基因组测序与功能注释：选取5个代表性站点的DNA样本，利用Illumina HiSeq 2500平台进行鸟枪法宏基因组测序，使用MEGAHIT进行序列组装，并通过MetaPathways流程和COG（Clusters of Orthologous Groups）、RefSeq数据库进行基因预测和功能注释。4. 环境参数耦合分析：收集并分析与采样站点相匹配的沉积物环境数据，包括氧化还原电位、有机质含量和粒度组成，以关联环境因子与微生物群落特征。

微生物群落结构在Perdido和Coatzacoalcos区域

通过对16S rRNA基因扩增子测序数据的分析，研究人员首先揭示了墨西哥湾深海底沉积物中微生物群落的整体结构。结果表明，深度是驱动微生物群落结构的最主要因素。基于Bray-Curtis和加权UniFrac距离的主坐标分析（PCoA）显示，样本根据深度梯度清晰地聚集成三组：浅层（550-788米）、过渡层（约1,000-1,200米）和深层（>1,200米）。PERMANOVA分析进一步证实了深度对群落结构的显著影响（p=0.0001）。

在α多样性方面，浅层沉积物（<1,000米）的微生物多样性（如Chao1、Shannon指数）显著高于深层沉积物（>1,000米）。例如，位于717米深度的C10站点拥有最多的独特ASVs（1,911个），而位于2,700米深度的B8站点和1,887米深度的C13站点的独特ASVs数量则少得多（分别为491和446个）。浅层样本之间共享的ASVs数量也最多（n=62），而深层样本之间共享的ASVs最少（n=34）。这些结果表明，随着深度增加，环境条件变得更加苛刻，起到了选择过滤的作用，导致群落组成趋于同质化，多样性降低。

沿深度梯度的分类学模式

对不同深度组群的微生物群落进行详细分类学分析，揭示了明显的深度演替规律。在浅层沉积物（<1,000米）中，微生物群落主要由Pseudomonadota（变形菌门，相对丰度>60%）和Planctomycetota（浮霉菌门）等细菌门类以及Crenarchaeota（泉古菌门）等古菌组成。其中，优势细菌目包括Brocadiales、Steroidobacterales、NB1-j、MSBL9和Syntrophobacterales；优势古菌目包括Nitrosopumilales、Hydrothermarchaeales和Woesearchaeales。

在过渡层沉积物（~1,000-1,200米）中，群落的门水平组成与浅层相似，但相对丰度发生变化。优势细菌目包括Methylomirabiliales、NB1-j、MBMPE27、AT-s2-59、Kiloniellales、Defluviicoccales和Nitrosococcales；古菌则以Nitrosopumilales为主（相对丰度达14%）。

在深层沉积物（>1,200米）中，Kiloniellales、NB1-j和Defluviicoccales等细菌目的相对丰度增加，古菌Nitrosopumilales的相对丰度进一步升高，可达20%。值得注意的是，位于1,320米深度的D18站点的群落组成发生了显著转变，其优势菌群包括Anaerolineales（厌氧绳菌目，10%）、Syntrophobacterales（3%）、MSBL9（3%）、Desulfobacterales（3%）以及古菌Woesearchaeales（3%）和Thermoplasmatales（1%）。这种异常可能与D18站点靠近天然烃类渗漏区有关，反映了局部环境扰动对群落组装的影响。

宏基因组数据的分类学注释结果与扩增子测序结果相互印证，进一步显示了深度依赖的分类学分区。基因主要隶属于细菌域（89.5%）和古菌域（10.24%）。在门水平上，Pseudomonadota、Planctomycetota、Chloroflexota（绿弯菌门）和Acidobacteriota（酸杆菌门）是主要的细菌类群。古菌群落也表现出明显的分区，Thaumarchaeota（奇古菌门）在深层站点（C13和C14）以及Perdido区域的B7站点（1,210米）占主导地位。

宏基因组的分类学和功能注释

对五个宏基因组样本（B7, C10, C13, C14, D18）进行功能注释，共识别出22,208个基因，并将其归类到不同的COG功能类别中。功能分布显示，与氨基酸转运和代谢（13%）以及能量产生与转换（12.7%）相关的基因占很高比例，突出了这些核心代谢过程在深海微生物生活中的重要性。其他丰富的功能类别包括通用功能预测、翻译后修饰、信号转导机制以及无机离子转运和代谢。

深度梯度驱动的潜在分布式代谢

基因和分类群分布揭示了代谢功能的深度依赖性趋势，特别是在氨基酸转运代谢和能量产生与转换方面。在341个鉴定出的相关COG中，仅有5%在所有深度共享，显示出沿梯度清晰的分类学转变。在Coatzacoalcos区域的浅层站点（如C10，717米和D18，1,320米），氨基酸转运代谢和能量转换的COG主要与Deltaproteobacteria（50-70%）和候选门类（8-30%）相关，其特征酶包括苏氨酸合成酶（threonine synthase）和延胡索酸还原酶（fumarate reductase）。相比之下，深层沉积物（如C13，1,887米和C14，3,205米）则显示出向Alphaproteobacteria（54-63%）和Thaumarchaeota（27-22%）的明显转变，由不同的分类群执行相似的代谢功能。例如，Alphaproteobacteria负责氨基酸代谢，而Thaumarchaeota和Chloroflexota则在深层承担能量转换功能（如铁氧还蛋白ferredoxin、甲酸脱氢酶formate dehydrogenase）。Perdido区域的B7站点（1,210米）则表现出一个独特的过渡性群落，以Thaumarchaeota（60%）为主，区别于浅层或深层群落。这表明，尽管关键的代谢途径在整个深度范围内得以维持，但其执行者（即微生物分类群）却发生了显著的更替，体现了功能冗余与深度分层分类学专业化的结合。

烃类代谢潜力

为了评估微生物对烃类富集环境的适应潜力，研究人员分析了与好氧/厌氧烃类降解及相关污染物代谢（芳香环裂解、砷酸盐-苯甲酸-苯酚-甲苯降解、C1甲烷代谢、N-C降解）相关的基因。分类学归属显示，烃类代谢基因广泛分布于多种微生物类群中，包括Bacillota（厚壁菌门，8%）、Actinobacteriota（放线菌门，7%）和Nitrospirota（硝化螺旋菌门，6%），表明沿深度梯度存在功能冗余，其中Deltaproteobacteria尤为丰富（25%）。此外，还识别出深度特异性模式：Deltaproteobacteria的基因在浅层-过渡区（C10和D18；717-1,320米）占主导地位（0.15-0.3%），而Alphaproteobacteria在深层（C14；3,205米）占优势（0.15%），Betaproteobacteria则在Perdido区域（B7；1,210米）表现出独特的存在。具体而言，在D18站点鉴定出多种甲烷氧化基因（如fmd, ftr, mch），以及好氧降解标志基因（如alkB）和厌氧降解指标基因（如bssA-like genes）。最深的C14站点（3,205米）则含有专门用于多环芳烃（PAH）处理的酶（如phbh, ubiH）。这些模式反映了烃类降解生态位的适应性转变，并与微生物群落结构的演替相关联。

研究结论与意义

本研究通过整合环境参数、微生物群落结构和功能基因分析，系统地揭示了墨西哥湾深海底沉积物微生物群落沿深度梯度的适应策略。主要结论归纳如下：

1. 1.
   深度是主导因素：深度是塑造墨西哥湾深海底沉积物微生物群落结构和功能的最主要驱动因子。微生物多样性、群落组成和代谢功能均表现出明显的深度分区。
2. 2.
   群落演替与功能冗余：微生物群落随深度发生演替，从浅层以Deltaproteobacteria为主，转变为深层以Alphaproteobacteria和Thaumarchaeota为优势类群。尽管执行者不同，但核心代谢功能（如氨基酸代谢、能量产生）在不同深度得以维持，体现了功能冗余与分类学专业化的共存。
3. 3.
   代谢途径的耦合与分区：与烃类降解相关的替代碳和能量代谢途径（如氨基酸代谢与能量产生的耦合）在不同深度的微生物群落中广泛分布，但其具体执行者和优势途径存在差异，反映了微生物对深度梯度下不同能量和底物可用性的适应。
4. 4.
   环境选择压力：氧化还原电位等环境因子的深度相关变化，以及烃类化合物的可用性，共同施加选择压力，驱动了微生物群落的成功和代谢生态位的形成。
5. 5.
   局部扰动的影响：靠近烃类渗漏区的站点（如D18）群落组成异常，表明局部环境扰动可以打破深度依赖的群落组装模式，强调了在评估深海微生物分布时考虑小尺度环境异质性的重要性。

这项研究的意义重大。首先，它增进了我们对深海寡营养环境中微生物如何通过代谢创新和功能冗余来维持生态系统功能的理解。其次，研究揭示了与烃类降解相关的代谢潜力在深海微生物群落中的广泛分布，为评估墨西哥湾等地区在面临天然或人为烃类输入时的自然修复能力提供了基因组学依据。最后，研究所展示的深度梯度下微生物代谢功能的分区和耦合，为构建预测模型以评估深海生态系统对未来环境变化（如气候变化、资源开采）的响应提供了重要的基础数据。总之，这项工作突出了宏基因组学在揭示未培养微生物的生态角色方面的强大能力，深化了我们对“微生物暗物质”在全球生物地球化学循环中作用的认识。