深海冷泉微生物还原性脱卤作用的发现及其对生物地球化学循环的启示

研究团队通过基因组解析的宏基因组学分析165个全球冷泉沉积物样本，鉴定出4类还原性脱卤酶催化亚基(RdhAs)，发现冷泉中存在高达18 mg/g的有机卤化物，证实了微生物还原性脱卤在深海环境中的重要作用。该研究拓展了已知有机卤化物还原微生物的多样性(4个古菌和36个细菌门)，揭示了还原性脱卤与碳、氮、硫循环的潜在关联，为环境修复提供了新思路。

　　

在神秘的深海世界，冷泉生态系统如同水下绿洲，源源不断地释放着甲烷和其他碳氢化合物。这些特殊环境不仅孕育了独特的化能合成生物群落，还富含一类鲜为人知的有机化合物——有机卤化物。这类化合物因其高氧化还原电位(+0.24至+0.58 V)，成为缺氧环境中微生物理想的电子受体。然而，深海环境中微生物还原性脱卤作用的生态角色和生物地球化学意义长期以来笼罩在迷雾之中。

传统观点认为，还原性脱卤作用主要发生在近岸污染区域，而深海环境中的这一过程长期被忽视。有机卤化物还原微生物(Organohalide-respiring microorganisms)通过还原性脱卤酶(Reductive dehalogenases, RdhAs)催化卤素原子的裂解，这一过程不仅影响卤素循环，还可能通过耦合其他元素循环深刻改变深海生态系统的功能。特别是在冷泉这类富含卤化物的环境中，微生物如何利用这些化合物？它们对全球生物地球化学循环有何贡献？这些问题成为深海微生物生态学研究的重要空白。

为解答这些科学问题，自然资源部第三海洋研究所等机构的研究团队开展了一项开创性研究。通过对全球冷泉沉积物的多组学分析，结合实验室培养实验，系统研究了还原性脱卤作用的微生物学机制和生态学意义。相关成果发表在《Microbiome》杂志，为理解深海微生物的代谢多样性和元素循环提供了新视角。

研究团队采用了基因组解析的宏基因组分析(genome-resolved metagenomics)技术，对165个冷泉沉积物样本进行测序和组装，构建了包含147 million基因的非冗余基因目录。通过结合代谢组学分析(LC-MS/MS)和孔隙水地球化学测定，证实了有机卤化物的存在及其微生物转化潜力。实验室微宇宙实验采用2,4,6-三溴苯酚(2,4,6-TBP)等卤代化合物作为电子受体，监测脱卤过程。此外，利用AlphaFold2进行蛋白质结构预测和分子对接，解析RdhA-like蛋白的结构-功能关系。单核苷酸变异(SNV)分析揭示了rdhA基因的种群动态和进化选择压力。

冷泉还原性脱卤的地球化学和实验证据

孔隙水卤化物分析显示，冷泉孔隙水中溶解性Br^-/Cl^-比值略高于上覆水，固体相卤化物浓度随沉积深度增加而降低。代谢组学鉴定出3713个峰，包括560种注释代谢物，其中卤代化合物相对丰度高达10³。实验室培养证实了沉积物微生物对2,4,6-TBP的逐步脱溴能力，15天内可完全转化为2,4-二溴苯酚和4-溴苯酚，20天后完全脱溴为苯酚。沉积物游离培养物还能将四氯乙烯(PCE)转化为三氯乙烯(TCE)和顺式-1,2-二氯乙烯(cis-DCE)。

冷泉沉积物中丰富的还原性脱卤酶基因

研究鉴定出3993条RdhA-like序列，分为四类：原型呼吸型(1466)、跨膜呼吸型(1963)、胞质型(362)和新发现分支(202)。冷泉中rdhA-like基因丰度(25 GPM)显著高于其他海洋沉积环境。宏转录组数据显示这些基因普遍表达(平均2.11 TPM)，其中跨膜呼吸型rdhA-like基因表达量最高达19.13 TPM。基因丰度与沉积深度呈负相关，且在不同冷泉类型间存在显著差异。

跨40个微生物门类的潜在有机卤化物还原菌

从3164个宏基因组组装基因组(MAGs)中鉴定出586个rdhA-like基因，分布在4个古菌和36个细菌门中。Chloroflexota(75)、Acidobacteriota(56)和Bacteroidota(55)是含rdhA-like基因最多的门类。79%的MAGs仅编码一个rdhA-like基因，而15个门类的92个MAGs含多个rdhA-like基因。分子对接显示RdhA-like蛋白与191种卤代烃存在13561种潜在相互作用，结合能为-0.47至-6.08 kcal/mol。

还原性脱卤与元素循环的潜在关联

288个潜在有机卤化物还原菌含有495个氢化酶基因，其中337个参与H₂氧化。这些微生物还编码甲酸、乙酸、丙酮酸和乳酸氧化相关基因。55个和57个菌株分别含有硫酸盐和硫代硫酸盐还原基因(dsrA和phsA)，189个菌株含有氮代谢相关基因。仅19%的菌株具有B₁₂合成能力，其余可能依赖环境供给。

RdhA-like蛋白的N端结构多样性

结构系统发育学支持四类RdhA-like蛋白的分类。新发现分支的36个蛋白含有单个N端跨膜α螺旋，其中18个与RdhB亚基形成多跨膜螺旋复合体。古菌Heimdallarchaeia的RdhA-like蛋白含有额外的4Fe-4S铁氧还蛋白结构域。胞质型RdhA-like蛋白长度差异显著(300-1000 aa)，可分为自给型、截短型和简化型。

rdhA-like基因的功能保守性

rdhA-like基因的核苷酸多样性较低(平均0.013)，pN/pS比值平均0.21，91.4%的比值小于0.4，表明存在强纯化选择。非同义突变位点(pN^(site))与相对溶剂可及性(RSA)和配体距离(DTL)呈正相关(r_RSA=0.22，r_DTL=0.08)，而同义突变位点(pS^(site))相关性较弱。

这项研究首次系统揭示了深海冷泉中微生物还原性脱卤作用的广泛存在和生态重要性。发现的高丰度(达18 mg/g)有机卤化物和多样的RdhA-like基因表明，冷泉可能是全球卤素循环的重要参与者。研究拓展了已知有机卤化物还原微生物的多样性范围(从少数几个门扩展到40个门)，特别是发现了古菌可能参与这一过程的证据。结构分析揭示的新RdhA-like蛋白分支，为理解这类酶的进化提供了新视角。

研究还建