南海冷泉水体微生物群落的甲烷过滤与代谢协作机制解析

研究人员针对冷泉水体微生物群落结构与生态功能认知不足的问题，开展了南海F站点冷泉水体微生物组学研究。通过宏基因组测序获得377个MAGs（宏基因组组装基因组），构建基因组尺度代谢模型，揭示了底部水体界面（BWI）以甲基球菌目（Methylococcales）和硫发菌目（Thiotrichales）为主的化能自养菌群通过碳-氮-硫耦合代谢实现甲烷氧化的新机制，证实冷泉渗漏对500米以深中深层水体微生物群落具有持续影响。该研究为评估全球海底甲烷释放风险提供了关键微生物学依据。

　　

在深邃的海洋底部，冷泉如同隐藏的"化学绿洲"，不断释放甲烷、硫化氢等还原性物质。这些流体不仅塑造了独特的生态系统，更通过微生物的代谢活动影响着全球碳循环。然而，长期以来科学家们对冷泉水体微生物群落的认知存在明显空白——尤其是底部水体界面（BWI）这个关键区域的微生物如何协作完成甲烷过滤？不同水层微生物群落如何响应化学梯度？这些问题直接关系到全球每年700万公吨海底甲烷释放的生态风险评估。

中国科学院海洋研究所的研究团队选择南海台湾西南陆坡的福尔摩沙脊冷泉区（F-site）作为天然实验室，通过自主研发的高通量采样设备精准获取了从海面至1150米深度的分层水体样本。研究发现冷泉水体微生物呈现明显的垂直分层：表层以光合自养菌为主，中深层以异养菌为优势类群，而BWI区域则聚集着甲基球菌目（Methylococcales）等化能自养菌。特别值得注意的是，在传统认为受甲烷影响较小的800-1000米中深层水体中，仍检测到携带颗粒甲烷单加氧酶基因的UBA1147菌株，证实冷泉渗漏的影响范围远超预期。这项突破性成果发表于《Communications Biology》。

研究团队运用了三大关键技术：1）搭载ROV FAXIAN的原位传感器系统实现温度、溶解氧（DO）、甲烷（CH₄）等参数的实时检测；2）宏基因组测序结合phyloFlash流程分析SSU rRNA基因；3）通过MetaWRAP流程构建377个MAGs（完整性≥70%），并采用SMETANA算法计算代谢资源重叠度（MRO）和代谢互作潜力（MIP）。

分层微生物群落的环境塑造机制

通过冗余分析（RDA）发现，BWI区域的微生物群落与CH₄、NO₂^-、NH₄⁺浓度显著相关，而表层水体微生物主要受温度和DO影响。宏基因组数据揭示BWI存在完整的甲烷氧化途径（KEGG模块M00174）和逆向三羧酸循环（rTCA），同时氮代谢基因显著富集，表明该区域存在活跃的碳氮耦合过程。

甲基球菌目的生态位分化

18个甲基球菌目MAGs的分析显示，BWI区域以QPIN01菌属（甲烷氧化菌Group 2）为主，而中深层则以UBA1147菌属为优势种。这些菌株不仅携带甲烷氧化关键酶基因（pmoABC），还具备硫氧化（SOX系统）和硝酸盐还原（DNRA）能力，展现出惊人的代谢可塑性。

微生物代谢互作网络

基因组尺度代谢模型（metaGEMs）显示，BWI区域的代谢互作潜力（MIP=0.589）显著高于其他水层。硫发菌目（Thiotrichales）通过提供硫代硫酸盐支持甲基球菌目的生长，而甲基球菌目泄漏的甲醇又被硝化球菌目（Nitrosococcales）利用，形成典型的"交叉喂养"关系。这种互作使BWI群落对环境的依赖度降低22.3%。

这项研究首次系统描绘了冷泉水体微生物的垂直分布图谱，揭示出甲烷氧化菌通过代谢协作突破能量限制的生存策略。发现的UBA1147等新菌株扩展了对海洋甲烷过滤带的认识边界，其独特的硝酸盐耦合甲烷氧化机制为开发新型生物减排技术提供了理论依据。研究建立的377个MAGs数据库将成为深海微生物资源开发的宝贵资料，而提出的"化学梯度驱动代谢互补"模型为理解极端环境微生物共生提供了新范式。这些发现对完善全球甲烷预算模型、预测海底甲烷释放对气候变化的影响具有重要科学价值。