北太平洋东部海域从表层到深海的微生物群落分类与功能特征及其对生物地球化学循环的影响

本研究通过宏基因组分析揭示了北太平洋东部45°N断面全水柱微生物群落的垂直分层特征，发现表层以SAR11支系（光养/异养）主导，深层则以奇古菌门（Thaumarchaeota）为主，功能分析显示不同水层存在碳固定（Calvin循环、HP/HB循环）、硫氧化和磷酸盐代谢等关键通路的分层现象，为理解海洋微生物驱动元素循环的机制提供了新见解。

　　

1 引言

海洋微生物通过有机质转化和营养盐循环驱动生物地球化学过程，其活动受温度、盐度、密度和无机营养盐等因素影响。北太平洋作为关键研究区域，其表层以光合作用为主导，而深层则依赖表层沉降的颗粒有机碳（POC）和溶解有机碳（DOC）。近年研究发现，深海的化能自养（chemolithoautotrophy）和混合营养（mixotrophy）对碳固定具有重要贡献。本研究通过跨45°N断面的全水柱采样，结合16S rRNA基因片段提取和KEGG直系同源（KO）功能注释，旨在解析微生物群落的分类与功能特征。

2 材料与方法

采样于2018年8月在R/V Oceanus科考船上完成，覆盖13个站点（124.9°W–136.0°W），采集表层（2–20 m）、次表层（25–100 m）、中深层（200–450 m）、氧最低层（OMZ, 600 m）和深渊层（2100–4145 m）水样。使用CTD-Niskin系统测量理化参数，并通过Seal Analytical AA3分析仪测定硝酸盐（NO₃^?）、亚硝酸盐（NO₂^?）等无机营养盐。DNA经Illumina NovaSeq 6000测序，数据提交至NCBI（PRJNA1002880）。生物信息学分析包括Trimmomatic质控、metaSPAdes组装、Prodigal基因预测，以及Kaiju和KEGG注释。

3 结果

4.1 环境特征

水体密度从表层的22.5 kg·m^?3增至深渊层的27.8 kg·m^?3。溶解氧在表层为271.9–291.9 μmol·kg^?1（饱和度99.3%–105.7%），OMZ层降至14.3–28.8 μmol·kg^?1（4.6%–9.1%）。硝酸盐和硅酸盐随深度增加，DOC则从表层的78.1 μmol·kg^?1降至深渊层的36.4 μmol·kg^?1。

4.2 微生物群落结构

宏基因组预测630万条蛋白编码基因，44%通过KEGG注释。细菌占比47%，古菌10%，且古菌比例随深度增加。16S rRNA基因OTUs（mOTUs）与KO功能谱的多样性呈正相关（R²=0.50），但功能多样性在深层降低。主成分分析（PCA）显示，密度变化解释了31.5%（mOTUs）和36.7%（KOs）的群落变异。

4.3 分类学特征

表层以SAR11（Pelagibacterales）为主（占mOTUs的50%），其次为黄杆菌目（Flavobacterales）和红杆菌目（Rhodobacterales）。中深层和深渊层以奇古菌门（Nitrosopumilaceae）为核心（30%），并与硝化螺旋菌目（Nitrospinales）共存，暗示硝化过程的协作。

4.4 功能特征

表层富集光合作用基因（如RuBisCo），而中深层以3-羟基丙酸/4-羟基丁酸（HP/HB）循环基因（如4HBD）为主，与奇古菌的氨氧化（amoA/B/C基因）相关。一氧化碳脱氢酶（coxL/M/S）在深渊层高表达，提示CO氧化作为替代能源。硫氧化基因（如soxA）在表层活跃，而甲烷代谢基因（fwdA/B）在深层富集。磷酸盐代谢基因（如phn）全水柱分布，但表层和深渊层更显著。

5 讨论

5.1 驱动因素

DOC浓度与微生物多样性呈负相关（R=?0.61），表明资源限制促进深层群落分化。功能冗余现象突出，相同密度的水体中微生物功能相似性（20%–70%）高于分类相似性。

5.2 生态意义

SAR11的深水生态型（如SAR202）适应低营养环境，而黄杆菌通过降解高分子量DOM（如多糖）支持群落互作。奇古菌在氨氧化和HP/HB循环中的优势，揭示了深海无机碳固定的重要性。

5.3 代谢策略

RuBisCo基因在深海的检出暗示颗粒输送或化能自养的存在。HP/HB循环与硫氧化的耦合，反映了能量获取的多样化途径。

6 结论

北太平洋微生物群落呈现显著的垂直分层，其功能分化受环境因子和资源可用性调控。未来需扩展OMZ等特殊区域的研究，以揭示未被认知的代谢过程。值得注意的是，约56%的基因未获功能注释，凸显海洋微生物仍有巨大探索空间。