深入认识微生物在厌氧河口沉积物有机碳降解过程中的作用

海洋沉积物作为全球最大的有机碳库，贮存了丰富的有机质。其中河口和浅海陆架环境的近岸沉积物起着非常重要的作用，约占海洋沉积物总有机碳埋藏量的45%。在富含有机质的近岸沉积物中，有机碳的微生物转化影响着全球碳循环并将在长时间尺度上影响大气中氧气和二氧化碳浓度。有机质的转化伴随着电子受体的消耗，近岸沉积物中氧气、硝酸盐、锰、铁和硫酸盐等电子受体一般在几厘米至几十厘米内快速耗尽，剩余的几百米到上千米的沉积环境为缺乏电子受体的产甲烷环境。在产甲烷区，仍然埋藏着大量的大分子碳水化合物、蛋白质、芳香族化合物和腐殖质等有机质。然而，有关产甲烷区的有机质转化的研究，大部分集中在小分子到甲烷的转化过程，上游的大分子到小分子有机质的转化过程及参与其中的微生物类型尚不明确。同时海洋沉积物中大部分微生物仍未培养，这阻碍了我们对其生态功能和代谢特征的认识。

图1. 不同未培养微生物降解相应底物的代谢通路

本研究采集河口环境沉积物样品，添加了各种有机底物和¹³C标记的无机碳进行培养实验。这些有机底物包括长链脂肪酸（油酸）、蛋白质（酪蛋白）、酚类聚合物（木质素）和碳水聚合物（纤维素），它们代表了河口沉积物中常见的有机物类型。实验结果显示一些常见的未培养沉积微生物被富集，包括：纤维素的添加刺激了Fermentibacterota 和 Fibrobacterales细菌的生长；木质素、酪蛋白和油酸分别刺激了Dehalococcoidia、Bacteroidales 和 Leptospiraceae菌的生长；Clostridiales菌的生长可同时被酪蛋白和纤维素刺激。通过宏基因组分析，这些未培养微生物降解相应有机质的代谢途径也在它们的基因组中被找到（图1）。此外，当体系中添加¹³C标记的无机碳，培养后可检测到¹³C标记乙酸的产生。

图2. 近岸沉积物产甲烷区碳循环过程示意图

本研究通过同位素喂养，结合微生物群落分析、微生物代谢途径解析以及代谢产物的检测，构建了近岸沉积物产甲烷区的碳循环过程，并揭示了参与其中的微生物类型（图2）。研究结果表明，目前尚未培养微生物类群在沉积物产甲烷区大分子有机质降解中发挥了重要功能，此外微生物通过二氧化碳还原产乙酸（自养产乙酸）过程是沉积物中乙酸的重要来源。该研究为理解微生物在厌氧河口沉积物有机碳降解过程中的作用提供了新的认识。

该研究得到深部生命国际研究中心（IC-DLI）的支持，并获得国家自然科学基金（41867057, 42141003和41921006）、中国博士后创新人才支持计划（BX20190204）和德国科学基金会（49926684）的资助。

原文链接

https://doi.org/10.1186/s40168-023-01531-Z