揭示铁氧化物改变深海沉积物产甲烷菌群落结构
“Iron (oxyhydr) oxides shift the methanogenic community in deep sea methanic sediment-insights from long-term high-pressure incubations” 发表于《Science of the Total Environment》
导读
海洋沉积物是地球上最大的有机碳库，其中与碳循环关联的元素循环过程是全球气候变化背景下的重要议题。通常，沉积物中的有机碳会在微生物代谢作用下被矿化为CO2，并在沉积物中形成化学分区，即依次为最上层的有氧氧化区、硝酸盐还原区、锰还原区、铁还原区、硫酸盐还原区以及沉积物底部的产甲烷区。然而，在全球海洋沉积物深部产甲烷区经常观测到亚铁离子含量升高的现象，暗示该区域存在铁还原，且与沉积物中传统化学分区相异。本文采用取自南海海马冷泉区的沉积物进行富集培养实验，并结合扩增子、宏基因组测序和同位素标记示踪等微生物学、地球化学研究方法，进一步探究产甲烷区铁还原现象背后的微生物代谢机制和潜在环境效应。本研究发现沉积物产甲烷区铁还原可与硫循环偶联，并驱动一系列微生物过程，可能导致产甲烷区中产甲烷菌群和产甲烷过程的巨大转变。
一、实验设置
选取产甲烷区沉积物，添加水铁矿和甲烷，并在高压培养釜中模拟含铁、富甲烷、原位高静水压的深海沉积物产甲烷区环境，对其中相关微生物进行长期富集培养。高压富集培养过程中，定期检测其铁还原活性，通过高通量测序监测微生物种群变化。培养539天后，通过添加同位素标记物13CH4和不同铁矿等进一步探究富集培养物中的铁还原机制（图1）。
图1 实验设置
二、富集培养过程中铁还原和微生物种群变化
在富集培养过程中，添加水铁矿的2个平行高压釜中铁还原活性显著高于未添加水铁矿的对照釜（图2A），且各个釜中细菌和古菌丰度上升，多样性降低（图2B和C），说明微生物种群得到富集。培养一年后，相较于对照釜，2个平行的加铁釜中细菌多样性组成相似（图3A），但其中多种硫代谢功能微生物得到富集，而常见的铁还原细菌未得到富集；古菌群体均由产甲烷菌主导，但其组成和代谢方式显著不同：甲基营养型产甲烷菌Methanococcoides主导添加水铁矿的2个富集釜（分别占古菌群体的97.2%和88.5%），对照釜则由氢营养型产甲烷菌Methanogenium主导（占古菌群体的93.8%）（图3）。
图2 富集培养中铁还原和微生物丰度、多样性指数变化（A: Fe2+浓度；B：细菌16S rRNA基因；C：古菌16S rRNA基因）
图3 富集培养过程中微生物种群变化（A：细菌；B：古菌）
三、富集物铁还原机制检测
在富集物中添加不同的铁矿和同位素标记的13CH4等，进一步对其铁还原活性和机制进行检测。结果显示，富集物不仅能还原水铁矿，而且对环境中常见的赤铁矿及磁铁矿也有还原作用（图4A）。而在培养至160天时，在富集物中添加硫酸盐还原抑制剂（钼酸盐），发现其抑制体系中铁还原过程（图4A），说明体系中铁还原与硫酸盐还原过程相关。通过检测体系中的δ13CDIC，排除铁还原偶联的甲烷厌氧氧化作用（Fe-AOM）对富集物铁还原的贡献（图4B）。
图4 铁还原活性和机制检测（A：各检测组中Fe2+浓度；B：各检测组中δ13CDIC值）
四、加铁富集物中微生物代谢潜能
对加铁富集物进行宏基因组测序，得到27个高质量宏基因组bin，其中包含编码几乎完整硫酸盐还原途径，完整硫氧化途径以及完整以甲基化合物为底物产甲烷途径的基因组（图5）。该结果表明加铁富集物具有硫酸盐还原、硫氧化等相关硫循环过程的代谢潜力。
图5 加铁富集培养物微生物代谢潜能及硫代谢和产甲烷通路（A:所有宏基因组bin代谢潜能；B：Desulfobacter编码的硫酸盐还原通路；C，Cupriavidus 和EhC02编码的硫氧化通路；D，Methanococcoides编码的甲基产甲烷通路）
五、讨论：产甲烷区沉积物铁还原机制和影响
一般来讲，在沉积物中有机质（OM）的降解首先会由微生物水解作用转变为较高分子量的可溶性有机碳（HMW-DOM），再经过进一步的发酵等作用产生H2或甲基化合物等小分子物质。在产甲烷区沉积物中，产甲烷古菌介导的产甲烷作用会消耗这些小分子化合物产甲烷，完成有机质降解过程。结合上述实验中微生物种群变化和铁还原机制检测结果（图6），在未加水铁矿培养物中，主导的产甲烷过程为氢营养型。而在添加水铁矿的富集物中，硫酸盐还原过程或潜在未知的微生物铁还原（MIR）过程会还原体系中的铁矿，并竞争性消耗H2等氢营养型产甲烷菌底物，导致利用“非竞争性”底物的甲基营养型产甲烷菌得到富集，并转变体系内的产甲烷过程。
图6 产甲烷区沉积物富集培养物中铁还原和有机质矿化机制
总结
通过长期高压富集培养实验，结合微生物多样性变化、宏基因组测序和同位素标记等实验，我们发现在海洋沉积物中铁还原过程可能与硫循环相关，铁氧化物的存在可能驱动一系列微生物过程，导致古菌类群由利用甲基化合物为底物的产甲烷菌所主导，改变了沉积物中的产甲烷过程。同时，本文对富含甲烷、铁及硫的早期海洋及地球系统的元素循环研究提供了新的视角。
参考文献
Liang, L., Vigderovich, H., Sivan, O., Hou, J., Niu, M., Yorshansky, O., Zhang, T., Bosco-Santos, A. and Wang, F., 2022. Iron (oxyhydr) oxides shift the methanogenic community in deep sea methanic sediment-insights from long-term high-pressure incubations. Sci Total Environ 848, 157590.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157590