磁铁矿驱动红树林沉积物微生物群落重构并促进II型甲烷八叠球菌属的乙酸裂解产甲烷作用

本研究针对红树林湿地甲烷排放热点问题，通过多组学分析与培养验证相结合，揭示了磁铁矿(Fe3O4)通过促进II型非氢营养型甲烷八叠球菌(Methanosarcina)的乙酸裂解产甲烷途径(aceticlastic methanogenesis)，显著改变微生物群落结构，为理解矿物介导的厌氧环境甲烷生成网络调控提供了新视角。

　　

红树林湿地作为"蓝碳"生态系统，在碳封存方面具有重要作用，但其沉积物中活跃的产甲烷过程会部分抵消碳汇效益。甲烷作为仅次于CO₂的重要温室气体，其排放量自2007年以来持续上升，其中生物源活动是主要驱动因素。然而，自然矿物（如磁铁矿）如何影响这类复杂环境中的微生物群落结构和产甲烷过程仍知之甚少。

深圳大学合成生物学研究中心、深圳市海洋微生物组工程重点实验室的研究团队在《Microbiome》发表研究，通过将多组学分析与培养验证相结合，系统解析了磁铁矿对红树林沉积物微生物产甲烷过程的调控机制。研究人员以乳酸为底物模拟发酵条件，经过五代连续传代培养，发现磁铁矿添加使甲烷产量显著提高10.1-17.1%，并引发微生物群落结构的显著变化——乙酸裂解产甲烷菌中，磁铁矿处理组以甲烷八叠球菌(Methanosarcina)为主（占古菌群落67.3%），而对照组则以甲烷鬃毛菌(Methanothrix)为优势类群（占42.3%）。

研究主要采用以下关键技术方法：(1) 从深圳福田红树林保护区采集沉积物样本建立富集培养体系；(2) 结合16S rRNA基因扩增子测序、宏基因组和宏转录组分析追踪群落动态；(3) 从磁铁矿处理组分离获得4株甲烷八叠球菌纯培养；(4) 通过基因组注释和差异表达分析解析代谢通路；(5) 纯培养实验验证磁铁矿对II型甲烷八叠球菌的直接影响。

研究结果
Magnetite stimulated methanogenesis of mangrove microbial consortia
连续传代培养显示，磁铁矿添加使产甲烷速率显著提高（第5代达17.1±5.6%），但未缩短滞后期。代谢分析表明两组均通过乳酸→丙酸/乙酸→甲烷的转化路径，且中间产物积累相似，说明磁铁矿特异性作用于产甲烷阶段而非发酵过程。

Magnetite affected community structure of mangrove microbial consortia
α多样性分析显示传代使群落简化。PCoA表明磁铁矿显著改变β多样性。古菌组成分析揭示磁铁矿处理组富集II型甲烷八叠球菌（缺乏Ech氢化酶基因簇），而对照组富集甲烷鬃毛菌。氢营养型产甲烷菌中，甲烷微菌目(Methanomicrobiales)在两组均活跃，但磁铁矿处理组其转录活性提高2.6倍。

Metagenome assembly and binning
获得117个MAGs（102细菌+15古菌），包括6个甲烷微菌目、2个甲烷鬃毛菌目和2个甲烷快菌目(Methanofastidiosales)基因组。通过针对性分箱获得5个中等质量甲烷八叠球菌MAGs，其基因组特征（含Rnf复合体基因、缺乏Ech）支持其属于II型非氢营养型。

Isolation of Methanosarcina from magnetite-amended microbial enrichments
分离的4株甲烷八叠球菌（T3/T4/T13/MeOH）与M. siciliae T4/M T高度相似（ANI 88.67-88.76%）。扫描电镜显示典型甲烷八叠球菌形态。菌株T3不能利用H₂/CO₂或甲酸盐生长，基因组分析确认其缺乏完整氢营养途径，属于II型甲烷八叠球菌。

Metatranscriptome profiling of aceticlastic and hydrogenotrophic methanogens
转录组分析表明：(1) 磁铁矿处理组中甲烷八叠球菌高表达乙酸裂解途径基因（ackA、pta、cdhDE等）；(2) 甲烷鬃毛菌核心代谢基因在对照组表达更高；(3) 甲烷微菌目的CO₂还原途径基因（fwd、mtr、mcr等）在磁铁矿组上调，可能通过甲酸脱氢酶(FdhAB)获取电子。

Magnetite addition promoted aceticlastic methanogenesis of Methanosarcina sp.T3 grown in pure culture
纯培养验证显示磁铁矿使菌株T3产甲烷速率提高16.1±2.6%。转录组揭示差异：与群落环境不同，纯培养中T3上调mcr复合体基因但下调膜蛋白（如乙酸转运体AceP）基因，提示环境复杂度影响响应机制。

结论与意义
该研究首次证实磁铁矿可直接促进II型非氢营养甲烷八叠球菌的乙酸裂解产甲烷作用。不同于以往报道的I型甲烷八叠球菌（通过H₂循环与磁铁矿互作），II型甲烷八叠球菌可能通过Rnf复合体和多血红素c型细胞色素MmcA实现能量守恒和胞外电子传递。研究还发现磁铁矿同步激活甲烷微菌目的氢营养途径，表明其对复杂群落具有多靶点调控效应。这些发现为理解红树林湿地甲烷排放的矿物调控机制提供了新视角，对评估"蓝碳"生态系统的气候效应具有重要科学价值。