模拟实验发现冷泉喷发推动有机碳循环和微生物群落结构的改变
在海洋中，几乎所有深埋甲烷的释放和消耗都发生在冷泉。因此，解析冷泉的甲烷循环对于估算海洋甲烷源汇至关重要。由甲烷厌氧氧化古菌（ANME）和硫酸盐还原细菌（SRB）介导的甲烷厌氧氧化（AOM）过程是冷泉生态系统的主要能量来源，也是阻止甲烷逸出的关键屏障。由于技术挑战，尚未实现对喷发冷泉生态系统组成和功能的直接监测，无法评估冷泉的喷发状态对于甲烷转化的影响。这是冷泉甲烷碳循环研究中的缺失环节。
近日，张宇团队在mBio上发表文章“Stimulated organic carbon cycling and microbial community shift driven by simulated cold-seep eruption”，利用深海环境模拟技术，结合宏基因组学分析，揭示了冷泉的喷发推动有机碳循环和微生物群落结构的改变。
研究者利用可以独立控制甲烷分压和培养压力的气液混合流动高压培养系统模拟深海冷泉[2]。所用的样本是连续培养十余年的深海泥火山ANME-2a富集物。在前期研究中证实ANME-2a在高压甲烷（8MPa分压）下能将甲烷转化成乙酸 [3]。在此基础上，研究团队进一步控制甲烷分压（8，12MPa）和培养压力（8，15，30MPa）以模拟不同的冷泉喷发状态。研究发现，在非喷发条件下，甲烷主要被ANME氧化成二氧化碳和乙酸，支撑ANME和SRB生长，以及Clostridia，Gammaproteobacteria 等异养微生物生长。在模拟的喷发条件下，甲基营养型古菌和细菌的比例快速提升取代ANME和SRB的主导地位。基因组分析指示甲烷可被Methylobacter氧化成甲醇，并被Methylobacter、Paracoccus 和Methylophaga 等进一步氧化成甲醛，后被Gammaproteobacteira等新兴异养菌群同化。在模拟喷发条件下，有机物的转化途径以及群落的代谢网络变得更加复杂。
上海交通大学海洋学院博士生吕永新为本文第一作者，海洋学院张宇研究员和生命科学技术学院肖湘教授为共同通讯作者，中国地质大学（武汉）杨姗姗副教授为合作作者。张宇研究团队长期聚焦高压对深海碳循环的调控机制研究。本研究受国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目支持。
参考文献
1.Lv, Y., et al., Stimulated organic carbon cycling and microbial community shift driven by a simulated cold-seep eruption. mBio, 2022: p. e0008722.
2.Zhang, Y., et al., Current developments in marine microbiology: high-pressure biotechnology and the genetic engineering of piezophiles. Current Opinion in Biotechnology, 2015. 33: p. 157-164.
3.Yang, S., et al., Genomic and enzymatic evidence of acetogenesis by anaerobic methanotrophic archaea. Nature Communications, 2020. 11(1): p. 3941.