烃渗漏沉积物中烷烃降解硫酸盐还原菌的原位代谢速率：CARD-FISH、NanoSIMS与数学模型联用揭示

本研究通过联用催化报告沉积荧光原位杂交（CARD-FISH）、纳米级二次离子质谱（NanoSIMS）和数学模型，首次量化了海洋烃渗漏环境中硫酸盐还原菌（SRB）对正丁烷（SCA1/SCA2）和正十二烷（LCA2）的细胞特异性降解速率（0.023-2.11 fmol·cell?1·d?1）。研究发现这些菌群占Deltaproteobacteria类群的6%-31%，其代谢活性显著影响碳硫循环，尤其在非甲烷烃主导的渗漏区可贡献近100%的硫酸盐还原（SR）通量。

　　

烃渗漏系统中的微生物引擎

海洋烃渗漏是硫酸盐还原耦合烃氧化的热点区域。尽管甲烷氧化驱动的硫酸盐还原（AOM）已被广泛研究，但针对非甲烷烷烃降解的硫酸盐还原菌（SRB）原位代谢速率仍知之甚少。聚焦Desulfosarcinaceae家族的SCA1、SCA2（正丁烷降解）和LCA2（正十二烷降解）类群，研究揭示了它们在Ammon泥火山和Guaymas盆地沉积物中的关键作用。

方法学的三重奏

研究采用¹³C标记底物孵育结合催化报告沉积荧光原位杂交（CARD-FISH）进行靶向菌群定量，纳米级二次离子质谱（NanoSIMS）测定单细胞¹³C富集度，并通过数学模型整合数据。SCA1细胞在Amon MV沉积物中占比高达31%，其丁烷降解速率为0.73 fmol·cell^?1·d^?1；SCA2细胞（占比9%）活性更高（2.11 fmol·cell^?1·d^?1）；而LCA2对十二烷的降解速率（0.023 fmol·cell^?1·d^?1）显著较低，反映底物溶解度的限制。

代谢活动的多维解析

数学模型揭示：SCA1和SCA2的碳同化速率分别为0.42和1.2 fmol C·cell^?1·d^?1，远超此前纯培养数据，归因于沉积物颗粒提供的附着生态位。值得注意的是，靶向菌群仅解释30%-36%的烷烃去除量，暗示存在未被检测的活跃菌群（如与古菌共生的Desulfofervidus或热泉菌Ca. Alkanophaga）。

全球渗漏环境的贡献评估

对8个渗漏点的调查显示，SCA1在Chapopote沥青火山沉积物中丰度最高（1.6×10⁸ cells/mL）。通过生物体积换算，这些菌群在特定位点的硫酸盐还原贡献可达163 nmol·cm^?3·d^?1。在非甲烷主导的渗漏区（如墨西哥湾），SCA1/SCA2/LCA2可能驱动近100%的非AOM硫酸盐还原，而在甲烷主导区（如Haakon Mosby泥火山）贡献不足4%。

技术局限与生态启示

研究承认CARD-FISH可能导致细胞内¹³C信号稀释（校正因子0.57），且生物体积测量存在1.4倍高估风险。这些发现强调了烷烃降解SRB在海洋碳硫循环中的分馏作用——短链烷烃降解菌（SCA）的代谢通量可达长链降解菌（LCA）的10倍，这一差异为理解烃类生物地球化学过程提供了量化框架。

未来探索方向

研究指出需进一步解析未被培养的共生古菌（如Ca. Syntrophoarchaeum）的代谢贡献，并建议在高温条件下研究自由生活细菌与古菌的竞争关系。该方法学框架为复杂环境中微生物功能定量研究树立了新范式。