海洋沉积物中硫酸盐与甲烷介导的厌氧几丁质和N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)降解途径的活性与多样性

《Applied and Environmental Microbiology》：Activity and diversity of sulfate- and methane-based pathways of anaerobic chitin and N-acetylglucosamine degradation in marine sediments

　　

据估计，硫酸盐还原作用占缺氧、富含有机质的海洋沉积物中有机碳呼吸的一半。硫酸盐还原微生物(sulfate-reducing microorganisms, SRMs)通常氧化简单碳化合物，如伯醇或小分子脂肪酸。然而，输入海底的大部分有机质是复杂的，驱动了终端呼吸者（如SRMs和产甲烷菌）与启动复杂有机碳分解的初级降解者之间的相互作用。为了探究这些相互作用如何塑造沉积物微生物组，研究人员使用深层96孔板中的连续稀释沉积物进行了为期数月的微宇宙实验。来自一个前深海鲸落场的沉积物分别添加了不溶性聚合物几丁质或其可溶性单体N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)。这些实验中的高重复性使研究人员能够评估复杂碳与易变碳对降解活性、微生物多样性、群落结构和功能冗余随时间的效应。地球化学分析结合16S rRNA基因测序和宏基因组学揭示，几丁质添加保留了更高的微生物多样性并增加了预测的微生物间相互作用。尽管厌氧几丁质降解会产生GlcNAc，但由这些底物富集的微生物群落在7个月实验中表现出较低的嵌套性。复杂碳输入促进了独特的微生物群落和功能相互作用，包括在中至高稀释度下出现多样化的产甲烷谱系——这在单体处理中不太明显。在微氧沉积物中，产甲烷菌和其他稀有生物圈成员与SRMs共存，并对复杂碳输入作出动态响应。研究结果表明，碳的复杂性和顽固性在刺激沉积物中代谢多样化的群落成员方面具有贡献，并驱动功能性微生物网络的组装。

海洋沉积物是地球上微生物多样性最丰富的生态系统之一，其有机质降解过程在全球碳氮循环中起着关键作用。据估计，硫酸盐还原占缺氧有机质丰富沉积物中有机碳呼吸的一半，硫酸盐还原微生物(SRMs)通常利用简单碳化合物，如伯醇或短链脂肪酸。然而，输入海底的有机质大多为复杂聚合物，需依赖初级降解者将其分解为简单小分子，再被SRMs或产甲烷菌等终端呼吸者利用。几丁质作为海洋中最丰富的生物聚合物之一，年产量超过10¹³ kg，是海洋碳氮循环的重要贡献者，但其在深海沉积物中的厌氧降解机制及对微生物群落多样性和功能冗余的影响仍知之甚少。为此，研究人员开展了一项高重复微宇宙实验，系统比较复杂碳（几丁质）与其单体N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)对海洋沉积物微生物群落活性、结构及功能冗余的长期影响。

研究人员采用来自美国蒙特利海底峡谷“Whale 1018”鲸落场（水深1,018 m）的沉积物柱，取6–9 cm层作为接种物，在无硫酸盐人工海水培养基中进行10倍系列稀释（5×10^-5至5×10^-8，即稀释度1至4），于2 mL深孔96孔板中建立微宇宙。每种处理设置4至12个生物学重复，分别添加胶体几丁质(5.7 mg/mL)、GlcNAc(5 mM)或不加碳源，在10°C厌氧条件下培养7个月。在1、3、7个月时取样，采用离子色谱定量代谢物（铵、乙酸、硫酸盐），利用16S rRNA基因V4区扩增子测序和宏基因组测序分析群落组成与功能基因多样性，并基于宏基因组数据挖掘硫酸盐还原功能基因(dsrA)与产甲烷功能基因(mcrA)的系统发育多样性。所有序列处理与统计分析遵循标准流程，共现网络用于推断潜在微生物相互作用。

研究结果如下：

**微生物GlcNAc和几丁质降解的地球化学代理。** 通过追踪代谢产物积累与硫酸盐消耗，研究人员发现GlcNAc处理中60%的样品达到活性阈值，乙酸:铵比值随时间先升后降，并伴有明显的硫酸盐还原；而几丁质处理中活性样品较少，初期乙酸:铵比值接近1:1，且硫酸盐消耗滞后，表明几丁质降解过程比简单水解为GlcNAc更复杂，可能涉及乙醇等非离子代谢产物或乙酸的额外消耗。

**代谢产物产生和硫酸盐消耗凸显碳分解过程中的时间和底物依赖动态。** 在几丁质处理中，初始阶段乙酸和铵大量积累但硫酸盐消耗极少；至7个月时部分样品才出现显著硫酸盐利用。高稀释度下，GlcNAc处理仍可产生代谢产物但硫酸盐消耗缺失，暗示关键硫还原功能成员可能被稀释丢失。

**沉积物稀释对GlcNAc和几丁质添加孵育中代谢响应具有显著影响。** 最低稀释度（稀释1）的GlcNAc处理呈现强乙酸消耗，而高稀释度则积累乙酸；几丁质处理的硫酸盐还原活性主要集中在低稀释度，高稀释度下SRMs活性微弱但代谢产物仍持续积累，反映出群落行为的时间转变。

**复杂碳对群落组成的稳定作用。** 基于16S rRNA基因数据的非度量多维尺度分析(NMDS)显示，两处理群落随时间趋于汇聚，但1个月时几丁质群落显著不同于其他处理；7个月时活跃代谢群落在组成上收敛。ANOSIM分析证实几丁质与GlcNAc群落差异随时间增大后又消失。贡献差异的主要类群包括Psychromonas、Desulfuromonadales Sva1033、Pontiella等，多为已知嗜冷菌。

**随时间变化的活跃碳利用与群落组成关系。** 群落差异与乙酸和铵浓度累积显著相关，尤其在早期时间点。几丁质处理的1个月时间点群落聚集在一起且远离其他处理，与当时异常的乙酸:铵比一致。

**碳复杂性和稀释对群落结构和关联网络的影响。** 几丁质处理在早期维持更高的物种丰富度和均匀度，而GlcNAc处理在3个月时出现多样性骤降后回升。几丁质处理的丰富度变化相对平稳，但掩盖了属水平的大量得失。共享属分析表明GlcNAc群落并非嵌套于几丁质群落中。共现网络分析显示，几丁质处理的活跃样品多具有更多离散模块，模块中常同时包含硫酸盐还原菌和产甲烷菌，且网络中出现Methanogenium与不完全乙酸氧化型SRM（如Desulfoconvexum）的关联。

**碳添加对终端呼吸者（SRM和产甲烷菌）功能冗余的影响。** 宏基因组挖掘的dsrA基因系统发育显示，几丁质处理中dsrA多样性提升幅度（平均增加82%）显著高于GlcNAc处理（38%），且几丁质处理归一化后dsrA丰度更高。SRM类群多样性在几丁质处理