深海冷泉微生物驱动的氮流失热点：跨21门类微生物群落揭示全球氮循环新机制

本研究通过多组学联用技术揭示了深海冷泉作为重要氮流失热点的机制。研究人员结合地球化学测量、15N同位素示踪和宏基因组分析，发现冷泉表层沉积物氮流失通量达4.96-7.63 Tg N yr-1（占全球海洋沉积物1.65-2.54%），鉴定出包含3个新门的N2O还原菌、1个新门的NO歧化菌及10个非浮霉菌门的厌氧氨氧化（anammox）菌，其结构适应性特征为深海氮循环研究提供新认知。

　　

在浩瀚的海洋深处，存在着一种被称为"冷泉"的特殊生态系统。这些沿着大陆边缘分布的深海绿洲，不断渗出富含甲烷和硫化氢的流体，孕育着独特的化能自养微生物群落。长期以来，科学家们对冷泉生态系统的认知主要集中在甲烷循环和硫转化过程，而对其中同样关键的氮循环过程，尤其是氮流失机制知之甚少。氮作为生命必需元素，其生物可利用性直接影响着冷泉生态系统的生产力。然而，在高压、低温、高甲烷的极端环境下，微生物如何驱动氮流失过程？这一科学问题一直困扰着研究人员。

自然资源部第三海洋研究所的科学家们通过跨学科研究，首次系统揭示了冷泉作为深海氮流失热点的重要作用。他们发现，冷泉沉积物中的氮流失速率显著高于普通深海沉积物，主要由反硝化和厌氧氨氧化(anammox)两个微生物过程驱动。这项突破性研究成果发表在《Nature Communications》上，为理解全球海洋氮循环提供了新的视角。

研究人员采用了多组学联用的技术路线：通过采集324个冷泉沉积物样本进行地球化学分析；使用¹⁵N同位素示踪技术测定氮流失速率；基于165个宏基因组和3164个宏基因组组装基因组(MAGs)开展功能基因挖掘；结合蛋白质结构模拟解析微生物适应性机制。

Geochemical evidence for nitrogen loss in cold seeps

地球化学数据显示，冷泉表层沉积物(0-5 cm)的潜在反硝化速率达2.30±4.03 nmol cm^-3 h^-1，显著高于非冷泉区域。同位素配对技术证实，厌氧氨氧化贡献了26.14±28.93%的总氮流失，这一比例与大陆坡沉积物相当。孔隙水营养盐剖面显示，氮流失主要发生在硫酸盐-甲烷过渡带上方。

Near-surface sediments are hotspots of nitrogen loss gene diversity

在1.47亿非冗余基因中，研究人员鉴定出530个编码一氧化二氮还原酶(NosZ)的基因，分为Tat依赖的Clade I和Sec依赖的Clade II两类。值得注意的是，NosZ Clade II基因的丰度(6.88 GPM)和表达量(3.71 TPM)均显著高于Clade I，表明其在冷泉N₂O消耗中起主导作用。同时发现的还有151个一氧化氮歧化酶(Nod)基因和644个肼合酶(HzsA)基因。

Diverse microbes drive nitrogen loss in cold seeps

宏基因组分析将已知的N₂O还原菌扩展至3个新门(脱硫杆菌门、克鲁姆霍兹菌门和Zixibacteria)，NO歧化菌新增1个门(拟杆菌门)。最令人惊讶的是，在10个非浮霉菌门中发现了具有完整anammox途径的微生物，包括酸杆菌门、疣微菌门等。AlphaFold结构预测显示，这些微生物的HzsA蛋白具有独特的N端信号肽和C端α螺旋，可能增强其在极端环境下的稳定性。

Implications of nitrogen loss in cold seeps

这项研究从根本上改变了人们对深海氮循环的认知。冷泉虽然仅占海洋面积的0.057-0.087%，但其氮流失通量却贡献了全球海洋沉积物的1.65-2.54%。微生物通过结构创新和基因水平转移适应了冷泉极端环境，其中新发现的非浮霉菌门anammox菌尤其值得关注。这些发现不仅完善了全球氮平衡模型，也为深海生物地球化学过程研究提供了新的理论框架。

研究还提出了若干待解问题：这些微生物如何协调氮流失与甲烷氧化的能量代谢？新发现的氮流失途径在全球其他冷泉的普适性如何？这些问题将成为未来研究的重要方向。随着深海探测技术的进步，科学家们有望揭示更多关于这些"深海氮循环工程师"的奥秘。