火山灰输入通过铁元素调控驱动深海生态系统演化

这篇研究揭示了火山灰沉积通过铁元素富集重塑深海微生物群落的机制。研究团队采用地质-微生物学交叉方法，在克马德克海沟（Kermadec Trench）发现铁获取（heme转运、铁转运、铁载体转运）和储存相关功能基因是塑造微生物群落结构的关键驱动力。宏基因组分箱获得的MAGs（metagenome-assembled genomes）均携带铁代谢基因，而病毒则通过裂解原核生物间接调控铁循环。该研究为地质过程驱动深海生命活动提供了新视角。

　　

火山灰与深海铁循环的隐秘关联

火山爆发向海洋输送大量火山灰，这些富含铁元素的颗粒以超过2 cm/s的沉降速度快速抵达深海，成为连接地球内部与表层系统的关键纽带。在克马德克海沟10,047米的深渊中，来自陶波火山带（Taupo Volcanic Zone）的流纹质火山灰与邻近海岭的玄武质物质混合，形成了独特的铁富集沉积环境。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析显示，FDZ156站位的沉积物中辉石（augite）和赤铁矿（hematite）含量显著高于其他站位，为微生物提供了异常丰富的铁源。

微生物群落的铁驱动分化

通过对四个站位表层沉积物的16S rRNA基因测序分析，研究发现FDZ156站位的微生物α多样性（Shannon指数5.23）显著低于其他站位（最高6.08）。这种差异与铁含量呈明显相关性：在铁富集的FDZ156站位，变形菌门（Proteobacteria）的γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）占主导，其中Woeseiaceae科的Woeseia菌属与铁锰结核形成密切相关。值得注意的是，该站位还富集了放线菌门（Actinobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota），这两类菌已知能产生铁载体（siderophore）并参与铁还原过程。

铁代谢基因的生态博弈

宏基因组分析揭示了更精妙的机制：FDZ156站位的微生物携带的铁相关功能基因数量是其他站位的1.5-2倍，主要包括四大类：

1. 血红素转运（heme transport）系统

2. 直接铁转运（iron transport）的ABC型转运体

3. 铁载体转运（siderophore transport）的TonB/ExbB/ExbD复合体

4. 铁存储（iron storage）相关的铁蛋白（ferritin）基因

曼特尔检验（Mantel test）证实这四类基因与群落结构变化显著相关。特别有趣的是，虽然病毒宏基因组未检测到直接参与铁代谢的基因，但宿主预测显示部分病毒（如假交替单胞菌噬菌体C5a）的宿主菌能合成lystabactins铁载体，暗示病毒通过调控宿主种群间接影响铁循环。

深海微生物的"铁饭碗"策略

从宏基因组中重构的90个高质量MAGs（完整度>90%）均为新分类单元，其平均核苷酸相似度（ANI）最高仅70.13%。这些基因组普遍携带铁代谢基因：

• 粘球菌门（Myxococcota）的MAGs含有磁小体（magnetosome）生物矿化基因，能合成Fe₃O₄纳米颗粒

• 放线菌的MAGs缺乏铁载体转运基因，可能依赖其他铁获取途径

• γ-变形菌的MAGs富含Fe²⁺氧化酶基因

这些发现揭示了深海微生物为适应火山灰输入演化出的多元铁利用策略。

地质-生物共演化的启示

该研究首次系统阐释了火山灰通过铁元素调控深海生态系统的三重机制：

1. 矿物相差异（辉石/赤铁矿）创造铁浓度梯度

2. 微生物通过基因水平转移获得差异化铁代谢能力

3. 病毒介导的"劫持-裂解"调控微生物种群平衡

这种地质-生物互作模式为理解全球海洋铁循环提供了新范式，也为深海矿产资源开发中的生态评估提供了理论依据。未来研究可结合原位转录组和稳定同位素探针技术，揭示铁代谢基因的实际表达动态。