贝加尔湖 Kedr-1 泥火山含碳酸盐底沉积物微生物组的组成及代谢潜力

《Journal of Great Lakes Research》：Composition and metabolic potential of microbiomes of carbonate-containing bottom sediments of the Kedr-1 mud volcano, Lake Baikal

　　

摘要

本研究首次探讨了贝加尔湖Kedr-1泥火山（MV）沉积物中富含重δ13C同位素碳酸盐的微生物沉淀机制。为此，我们重建了属于19个细菌和古菌门的85个宏基因组组装基因组（MAGs）。大多数重建的MAGs属于未分类的谱系，其平均核苷酸一致性（ANI）值为66.32%至90.53%，数字DNA-DNA杂交（dDDH）值为12.5%，表明它们代表了淡水微生物的新分类群。通过将贝加尔湖微生物组与其他淡水生态系统（Hazen湖、Sarnen湖、Inre Harrsj?n湖和Polar Fox潟湖）进行比较，发现表层沉积物中的微生物群落相似，但深层沉积物中的群落存在差异。表层和深层沉积物的微生物组表现出不同的代谢差异。在表层沉积物中，氮循环和硫循环的代谢途径更为丰富。相反，在深层沉积物中，具有不同碳循环代谢途径的原核生物更为丰富，包括确保甲烷形成和厌氧氧化的基因。重建的MAGs中不同分类群中碳酸酐酶（CynT）的存在支持了微生物可能在贝加尔湖碳酸盐沉积中发挥作用这一假设。基于重建MAGs代谢途径的数据，我们提出了Kedr-1 MV中碳酸盐沉积的模型，在该模型中，产甲烷菌和厌氧甲烷氧化古菌的代表起着重要作用。

引言

贝加尔湖（LB）是世界最深层（最大深度1642米）和最古老的湖泊（高达约4000万年）（Logachev, 2003）。LB底部沉积物的总体积约为75,000 km3，其最大厚度超过9 km（Hutchinson等, 1992; Logachev, 2003）。LB是一个裂谷湖，其特征是与贝加尔裂谷带沉积物中各种成岩、深成岩和循环过程有关的地壳现象（例如Khlystov等, 2013; Kuzmin等, 2001）。与地质断层相关的沉积物表现出较高的热流和不同离子的浓度（Granina, 2008; Pogodaeva等, 2007），以及油气和流体通道、自生碳酸盐和气体水合物（GHs）（Klerkx等, 2003; Khlystov等, 2007, Khlystov等, 2013; Krylov等, 2008, Krylov等, 2010）。然而，长期以来，LB沉积物被认为缺乏碳酸盐矿物（Knyazeva, 1964），因为湖水碱度低、沉积物孔隙水饱和度低，以及湖水中钙浓度低（比碳酸盐矿物饱和所需的浓度低1-2个数量级）（Mizandrontsev, 1975）。尽管如此，在LB所有盆地的烃类排出区域都发现了少量自生菱锰矿和菱铁矿包体（Callender和Granina, 1992; Granina, 2008; Krylov等, 2008, Krylov等, 2010, Krylov等, 2020; Sapota等, 2006）。自其在LB沉积物中被发现以来，其形成机制已反复被讨论。对深钻岩心（湖底以下600米深处）中菱铁矿的分析表明，甲烷生成导致了其沉淀，而非海洋生态系统中特征性的硫酸盐依赖性厌氧甲烷氧化（AOM）（例如Aloisi等, 2002）。后续对LB泥火山中自生碳酸盐矿物的研究（Krylov等, 2008, Krylov等, 2010, Krylov等, 2020）证实，其沉淀机制与某些淡水生态系统和其他一些海洋生态系统中所描述的机制不同（例如Aloisi等, 2002; Dittrich和Obst, 2004; Dupraz等, 2004; Gieskes等, 2005; Stanton等, 2023）。在LB沉积物中，自生菱铁矿矿物的沉淀更多与甲烷生成而非甲烷消耗相关（例如Aloisi等, 2002; Gieskes等, 2005; Lein, 2004）。关于自生碳酸盐的碳同位素组成以及溶解无机碳（DIC）中的δ13C值，以及CO?和甲烷的数据，支持了这一机制，无论是在某些海洋沉积物中（例如Phillips等, 2018; Torres等, 2020）还是在LB沉积物中（Hachikubo等, 2020; Krylov等, 2008, Krylov等, 2020; Lomakina等, 2023a）。根据这些研究，LB中菱铁矿的沉淀是由于有机质（OM）的活跃降解产生甲烷，加上中和该过程中形成的CO?以及硅酸盐化学风化导致的碱度增加而产生的。对菱铁矿沉积物孔隙水的化学分析证实了OM的活跃破坏，显示出铵浓度局部升高和相对较低的醋酸根离子浓度（Bukin等, 2025; Lomakina等, 2023a）。这些区域的沉积物还表现出高浓度的未成熟原核生物起源的分子标志物（藿烷和藿烯）在OM中的含量（Morgunova等, 2022），表明与LB其他区域相比，其甲烷生成区更大。

众所周知，微生物在碳酸盐矿物沉淀中起着关键作用，主要通过其代谢活动（例如Naja等, 2025; Robles-Fernandez等, 2022）。分析单个基因及其编码的酶也使我们能够评估特定分类群影响环境碱度的潜在能力，因为碳酸盐矿物的沉淀是环境中普遍存在的生物过程（Zhu等, 2024）。碳酸酐酶（CA）是该过程中的关键酶，可由微生物产生（Zheng, 2021），通过呼吸、水解和水合作用产生碳酸盐并创造矿化的碱性环境。CA通过加速CO?的水合反应催化CO?和水的快速转化形成HCO??（Naja等, 2025; Zhu等, 2024）。另一种参与微生物碳酸盐生物矿化的关键酶是脲酶，它催化尿素水解为氨和CO?，导致氢氧根离子（OH?）的产生，从而提高周围环境的pH值（Xue等, 2022）。碱度的增加促进了碳酸盐矿物的快速沉淀，使脲酶介导的生物矿化在含有尿素的环境中极为高效（Tepe等, 2019）。

在淡水湖泊中，自生碳酸盐的结晶主要在水柱中于好氧条件下发生，这是光合作用藻类和蓝细菌积极吸收CO?导致方解石过饱和的结果，改变了细胞表面附近的碱度（Dittrich和Obst, 2004）。蒸发浓缩或季节性温度变化也很重要，因为它们影响CO?或碳酸盐的溶解度（Kelts和Hsü, 1978; Plee等, 2010）。

如上所述，LB中自生碳酸盐的形成局限于烃类饱和的流体排出区，在这些区域也常发现GHs（Bukin等, 2025; Krylov等, 2008, Krylov等, 2020; Lomakina等, 2023a, Lomakina等, 2026）。基于16S rRNA基因代谢条形码数据，这些沉积区中的微生物群落包含参与OM降解的微生物以及能够生成和氧化甲烷的微生物（Bukin等, 2025; Lomakina等, 2023a, Lomakina等, 2026）。它们还具有能够发酵各种有机底物的分类群，如Bathyarchaeia、Hadarchaeota、Atribacterota、Acidobacteriota和Chloroflexota（例如Baker等, 2016; Meng等, 2014），或者那些参与与产甲烷古菌共生关联的短链烷烃氧化的分类群（Liu等, 2019）。与周围沉积物相比，与菱铁矿相关的微生物群落的相对丰度也表现出更高的未培养Thermodesulfovibrionia和Desulfobacterota成员比例。在这些沉积物中，能够还原各种硫和Fe(III)化合物的Caldisericum属细菌也占优势（Martinez等, 2019; Mori等, 2009; Sekiguchi等, 2008）。大部分序列与未培养或未分类的同源物相似，其系统发育位置不允许将其归类为已知代谢的分类群。基于这些数据，我们假设在活跃的生物成因OM破坏区中，微生物在生命活动中可以生成HCO??和/或消耗CO?，从而导致碱度增加并最终导致碳酸盐矿物的沉淀（Bukin等, 2025; Lomakina等, 2023a, Lomakina等, 2026）。宏基因组组装基因组（MAG）分析被广泛用于评估单个MAGs和微生物群落整体的代谢能力，同时考虑到栖息地条件（Bauman等, 2022; Cabello-Yeves等, 2018, Cabello-Yeves等, 2020; Emerson等, 2021; Ruuskanen等, 2020）。对冷水和浅水湖泊（瑞典Inre Harrsj?n、瑞士Sarnen、加拿大Hazen）表层沉积物微生物组的分析揭示了代谢途径特征和单个基因的普遍性，同时考虑了湖泊成因和环境因素（Bauman等, 2022; Emerson等, 2021; Kokfelt等, 2010; Ruuskanen等, 2020）。然而，关于含有自生碳酸盐的更深层湖泊沉积物中群落代谢潜力的信息尚缺乏。

LB中自生碳酸盐形成被注意到的区域之一是Kedr-1泥火山（MV）。Kedr MV位于贝加尔湖南盆，列斯季维扬卡以南27公里处（图1）。该区域包括一个泥火山建筑群综合体，其中发现了泥火山角砾岩（Hachikubo等, 2020; Minami等, 2018）。2015年多波束回声测深数据揭示Kedr MV由小型丘陵和底辟构造组成，孔隙水地球化学结果表明存在来自更深处的流体排出（Hachikubo等, 2020; Minami等, 2018）。

本研究基于重建的MAGs分析，调查了代谢潜力并预测了包括含有自生碳酸盐沉积物中微生物和群落的个体微生物的功能作用。我们使用未组装的16S rRNA基因reads评估了微生物群落的多样性，并将其与其他淡水生态系统进行比较，包括LB的参考区域。我们还检查了MAGs中碳、氮和硫循环代谢途径编码基因的存在/缺失和丰度及其在自生碳酸盐形成中的潜在作用。

区域摘要

Kedr-1 MV于2015年在LB南盆被发现。该区域位于中新世-始新世Tankhoy地层的含煤沉积物附近（Hachikubo等, 2020），可能是GH形成中气体饱和流体的理想来源。有趣的是，与湖泊其他含水合物区域不同，在Kedr-1 MV中，甲烷及其GH相关同源物具有热成因或次生微生物成因，由活跃的生物降解过程解释（Hachikubo等, 2020）。

基于未组装reads的16S rRNA基因片段的LB沉积物微生物群落分类组成

如图2所示，在表层（SLB）中，Pseudomonadota（26%）、Acidobacteriota（9.5%）、Verrucomicrobiota（8%）、Chloroflexota（8%）、Actinobacteriota（6%）和Bacteroidota（6%）占优势。Actinobacteriota、Patescibacteria、Planctomycetota和Nitrospirota的代表在该群落中也以较高比例存在（5.3-5.8%）。Desulfobacterota（高达4%）、Methylomirabilota（2.3%）和Deferrimicrobium（MBNT15）在SLB中被优先发现。

讨论

近年来，一些淡水湖泊利用高通量测序和MAG分析进行了研究，但这些数据主要局限于水柱研究（例如Cabello-Yeves等, 2020; Garcia等, 2018; Linz等, 2018; Tran等, 2021）。关于深水淡水湖泊沉积物中MAGs的信息仅限于坦噶尼喀湖（深度与LB相当，LB为1642米）的水柱厌氧和地下样本数据（Tran等, 2021）。

结论

总体而言，我们的研究提供了关于贝加尔湖三个深层样品中微生物群落组成和分布的详细信息，以及它们在碳、氮和硫循环中的潜在功能。大多数重建的贝加尔湖MAGs根据ANI数据和系统发育基因组分析可被归类为新的未培养微生物物种。这些未分类的MAGs在系统发育进化枝中形成了与沉积物和基因组来自

CRediT作者贡献声明

Anna V. Lomakina：数据管理，调查研究，方法论，可视化，撰写——初稿，撰写——审阅与编辑。Sergei V. Bukin：调查研究，数据管理，软件，可视化，撰写——审阅与编辑。Pavel M. Kolesnikov：数据管理，软件，可视化。Tamara I.

泽姆斯卡娅：概念构思、监督、项目管理、资金获取、撰写 – 初稿、撰写 – 审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了 RSF 资助计划编号 22-14-00084（样本测序、测序数据处理和统计分析）以及 LIN SB RAS FWSR-2026-0011 (1025031800035-4-1.5.1)（野外工作）的支持。
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安娜·V·洛马基娜|谢尔盖·V·布金|帕维尔·M·科列斯尼科夫|塔玛拉·I·泽姆斯卡娅
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