深海热液区微生物矿化过程的功能群和分子机制

深海热液区富含铁、锌、铜等含金属矿物(硫化物、氧化物、碳酸盐等)和无机小分子气体(H_2S、H_2、CO_2、CH_4等),具有独特的生态系统。微生物是深海热液生态系统的主要生产者和重要组成,并以控制矿化和诱导矿化两种途径参与了深海热液区的生物地球化学循环。在深海热液区存在着不同类型的微生物参与了生物矿化过程,如硫氧化菌、金属氧化菌、硫还原菌和金属还原菌等。本文详述了这些微生物参与的生物矿化现象、菌群多样性和矿化过程的分子机制,并对研究微生物矿化的研究工作进行了展望。     

挖掘深海新酶基因资源

深海热液口,是幽深寒冷海床上的一口口巨型"压力锅"。它们温度高(200~400摄氏度),压力大(水深1000~3000米),"锅"里的水为富含氢气、甲烷、硫化氢及各种金属离子的酸溶液(pH为2~3)。理论上,如果把地球上常见的动物扔到这些压力锅里,恐怕不一会就成一锅酥烂的肉汤了,尽管这锅肉汤的味道可能不怎么值得期待。     

深海微生物多样性

海洋面积约占地球总面积的70％,平均深度3,800 m,海底平均压力38 MPa,海水以下更是包含有物理化学性质迥异的多种地质结构,例如海洋沉积物、洋壳、热液口以及冷泉等.这些性质迥异的地质结构环境造就了丰富的生物多样性,构成了地球上最大的微生物生态系统.深海海水中最主要的微生物类群是α-,γ-变形菌(Alpha-&Gammaproteobacteria),以及海洋古菌群I(Marine Group I).深海沉积物中微生物含量与有机物含量和距离大陆板块的距离相关,以异养微生物为主.深海冷泉区富集了厌氧甲烷氧化古菌ANME和硫酸盐还原菌(Deltaproteobacteria);深海热液区由于具有化学物质的多样性和快速的动态变化而导致形成微生物的高度多样性.洋壳主要由基性、超基性岩构成,含有丰富的矿物,其中不乏参与铁、锰、硫等关键代谢反应的化能自养微生物.同时,由于环境中99％以上的微生物没有已培养的亲缘种,因此对深海微生物的多样性、生理功能特性以及生物地球化学作用的理解和研究仍然存在巨大的挑战.本文将尝试从不同的深海环境分区来综述深海海水、沉积物、洋壳,以及冷泉区和热液口等特殊生态环境中微生物的分布和多样性.     

冲绳海槽热液区可培养硫氧化细菌多样性及其硫氧化特性

冲绳海槽热液区独特的地质环境孕育了特殊的生物群落,硫氧化细菌作为生物地球化学循环的重要参与者在热液生态系统中发挥着至关重要的作用。【目的】通过硫氧化菌株的分离培养揭示冲绳海槽热液区可培养硫氧化细菌的多样性和硫氧化活性。【方法】采用多种培养基对冲绳海槽热液区不同沉积物样品中的硫氧化细菌进行富集培养和分离纯化;利用16S rRNA基因序列确定硫氧化细菌的分类地位并进行系统发育分析;采用碘量法对典型硫氧化菌株硫氧化活性进行检测。【结果】本研究从冲绳海槽热液区样品中共分离鉴定85株硫氧化细菌,分属于α-变形菌纲、γ-变形菌纲、放线菌门和厚壁菌门,优势属为氢弧菌属(Hydrogenovibrio)、拉布伦氏菌属(Labrenzia)、深海海旋菌属(Thalassospira)和海杆状菌属(Marinobacter)。硫氧化活性检测结果表明,7株典型硫氧化菌株对硫代硫酸钠的降解活性介于31%–100%之间,其中泰坦尼克号盐单胞菌SOB56 (Halomonas titanicae SOB56)、南极海杆状菌SOB93(Marinobacter antarcticus SOB93)、印度硫氧化粗杆菌SOB107 (Thioclava indica SOB107)和嗜温氢弧菌CJG136 (Hydrogenovibrio thermophiles CJG136)可以完全降解硫代硫酸钠。【结论】冲绳海槽热液区可培养硫氧化细菌的多样性丰富,为研究该热液区的硫循环过程提供了实验材料和理论基础,多种硫氧化活性菌株的获得极大地丰富了菌种资源,为探究深海热液区硫循环的能量代谢途径和分子机制奠定基础。     

劳盆地深海热液喷口沉积物中细菌多样性研究

采用PCR-RFLP技术调查了劳盆地深海热液喷口两位点沉积物中的细菌多样性。结果表明, 在劳盆地深海热液喷口沉积物环境中细菌多样性十分丰富, 样品DY1中发现6个细菌类群, DY2中则存在4个细菌类群, 其中Gammaproteobacteria细菌亚群和Epsilonproteobacteria细菌亚群在两文库中均占据最大比例, 为沉积物样品中的优势菌群。另外, 在克隆文库中还发现了一些与数据库中的已知序列同源性较低的类群, 从而说明劳盆地深海热液喷口沉积物中存在特有的微生物种属。     

南大西洋深海热液区可培养硫氧化微生物多样性及其硫氧化特性

【目的】探索南大西洋热液环境中的硫氧化细菌多样性并研究其硫氧化特性。【方法】通过富集培养和分离纯化获得硫氧化细菌,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析富集菌群组成结构,采用离子色谱法对获得的硫氧化细菌硫氧化特性进行检测。【结果】从南大西洋深海环境样品中共分离到48株菌,分属于alpha-Proteobacteria(28株,58.3%)、Actinobacteria(11株,22.9%)和gama-Proteobacteria(9株,18.8%)共3个门,其中Thalassospira、Martelella和Microbacterium为优势属。DGGE结果表明深海热液环境样品中微生物多样性丰富且不同站位存在差异。硫氧化特性研究结果表明,约60%的分离菌株具有硫氧化能力,可以氧化S_2O_3~(2–)生成SO_4~(2–)。获得一株硫氧化能力较强的潜在新种L6M1-5,在实验条件下可高效氧化S_2O_3~(2–),最大氧化速率可达0.56 mmol/(L·h)。【结论】南大西洋深海热液环境中可培养硫氧化细菌多样性丰富,为研究热液环境中的硫循环过程提供了实验材料和理论参考;同时高效硫氧化菌的获得,为工业化含硫废水的处理提供了良好的菌种资源。     

深海热液生物共附生可培养硫氧化细菌的多样性及硫氧化特性

[背景]深海热液环境中存在大量H2S及含硫化合物,许多微生物与大型生物形成了紧密的共生体系,例如硫氧化细菌,它们利用其独特的代谢体系协助宿主更好地适应极端环境,但目前尚未对热液底栖生物共附生的硫氧化细菌进行培养鉴定和功能分析.[目的]了解深海热液生物共附生硫氧化细菌的种群特征和功能特征,筛选出深海热液生物共附生微生物中...     

南大西洋中脊热液区异化铁还原微生物及其矿化产物分析

【目的】从深海热液区获取异化铁还原微生物(Dissimilatory iron reducing microorganisms,DIRM),分析其矿化速率和矿化产物,认识其参与的深海生物地球化学循环。【方法】以羟基氧化铁(FeOOH)为电子受体,以乙酸等简单有机物做电子供体,在60°C恒温厌氧条件下,对南大西洋中脊深海热液区硫化物样品中的DIRM进行富集、培养;采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)以及能谱仪(EDS)等方法对矿化产物进行形貌观察与成分分析。【结果】从2个硫化物样品中,共获得了139个铁还原培养物,它们均能将培养基中FeOOH (Fe3+90 mmol/L)转化为矿化产物。电镜下可见明显的晶体形态,以立方体形晶体为主,边长为5.0–20.0 nm;EDS分析表明,所有矿物晶体的主要元素为铁和氧,推测是由菱铁矿和磁铁矿组成的混合矿物。矿物晶体形成的时间差异较大,从3d到54d不等,多数培养物可在11 d到20 d内形成晶体。微生物多样性表明,培养物中优势菌主要为厚壁菌门(Firmicutes)和广古菌门(Euryarchaeota),包括一氧化碳胞菌(Carboxydocella)与脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)近似新物种(16SrRNA基因同源性89%–91%)和广古菌地丸菌(Geoglobus)。【结论】热液区高温厌氧细菌与古菌可以利用简单有机物为电子供体进行铁还原,形成铁氧化物晶体。实验结果对于微生物参与铁元素的生物地球化学循环与矿物形成的潜力具有支持作用。然而它们是否参与了热液区铁元素的生物地球化学循环与矿物形成还需要大量研究工作验证。     

深海热液口Epsilon-变形菌的物种多样性与环境适应机理

Epsilon-变形菌是近年来宏基因组调查发现的深海极端环境如热液喷口富集的重要微生物类群,在海洋碳、氮、氢、硫循环中发挥重要作用。目前对这个纲的研究较少,主要来自于16S rRNA的分类鉴定以及深度测序拼接的基因组序列分析。本文总结了目前对Epsilon-变形菌纲的生态分布及多样性调查研究结果,并对深海热液喷口的Epsilon-变形菌的多种能量代谢方式、强大的趋化运动系统以及与底栖生物的共生关系进行了阐述。这些结果初步揭示了Epsilon-变形菌对深海极端环境的适应机制,并推动对这个极端环境富集的细菌分支的生物学特征认知与资源利用。     

基于宏基因组学重建来自深海热液喷口的Epsilonproteobacteria基因组及其代谢分析

【背景】非致病性Epsilonproteobacteria广泛存在于全球各种不同的自然环境中,特别是一些极端生境如深海热液喷口,并且经常在微生物群落中作为优势物种被发现。然而,由于现阶段培养技术的限制,仅有为数不多的深海热液Epsilonproteobacteria被分离培养,极大限制了对其生理特征、代谢方式以及生态功能的深入认识。【目的】研究深海热液未培养Epsilonproteobacteria的进化地位、代谢潜能及其在原位生态系统中可能发挥的作用。【方法】基于宏基因组学Binning的方法,从采集自东太平洋海隆深海热液烟囱体样本中构建4个高质量的Epsilonproteobacteria基因组Bin225、Bin51、Bin54和Bin189,并进行了系统发育和代谢途径的分析。【结果】Bin189在系统发育树上相对独立于其他所有已知的Epsilonproteobacteria类群,而其余3个重构基因组都与Nitratiruptor sp. SB155-2具有较近的亲缘关系。在代谢潜能方面,所有的基因组除了都含有sqr硫氧化和rTCA碳固定途径的基因以外,也同时具有脂多糖输出转运子和多种分泌系统。Bin189显示出与其它基因组显著不同的代谢特征,其中还检测到与有机物和氨基酸转运相关的功能基因。而其他的3个基因组均具有完整的反硝化途径的功能基因,其中2个还具有Sox系统、氢化酶和鞭毛移动系统。【结论】Bin189可能是一种新发现的深海热液兼性化能营养型Epsilonproteobacteria,推测其余的3个类群能够利用硫化物和氢气作为能源进行化能自养生长。考虑到它们多样的代谢潜能,这些Epsilonproteobacteria类群很可能在深海热液微生物群落的形成发展和地球化学元素循环中发挥重要作用。     

南海冷泉区深海沉积物中细菌的分离培养及多样性分析

为了认识南海深海冷泉区沉积物中可培养微生物的多样性,本文以冷泉区与非冷泉区两个站点的深海沉积物为样品,通过两种培养基(R2A海水培养基和2216E培养基)直接涂布或富集后平板分离纯化,从9个样品中共得到395株菌株,并通过16SrRNA基因鉴定,分属10个属。发现产芽胞细菌分布最广、丰度最大,包括3个属、15个种。其中芽胞杆菌(Bacillus)无论是在数量还是在种类上都分布最多。并且,随着水深和沉积物深度的增加,分离到的可培养微生物丰富度降低。本研究表明,即使在冷泉区,南海深海沉积物中产芽胞细菌也比较丰富。     

热球菌目(Thermococcales)遗传操作系统研究与应用进展

热球菌目(Thermococcales)是一类分离自浅海热泉或者深海热液口的超嗜热微生物,包括火球菌(Pyrococcus)、热球菌(Thermococcus)、古老球菌(Palaeococcus)。研究其生命活动的分子机制,基因的功能等必须借助遗传操作系统。由于选择标记的限制,Thermococcales遗传操作系统落后于其他菌株。近年来,在Thermococcales发现了内源质粒并可以将其改造用作遗传工具。如在Thermococcus kodakarensis及Pyrococcus furious等菌株内都建立了成熟的遗传系统,并用于基因敲除以及基因表达。将就Thermococcales内源质粒的发现和遗传操作系统的发展与应用加以阐述。     

高温海藻床中微生物的分离鉴定及其耐热、耐盐特性研究

【目的】对印度洋卡利安达岛海洋热泉周边的高温海藻床中的微生物进行分离培养和16S rDNA种属鉴定,并研究其耐热和耐盐特性。【方法】采集海藻床中马尾藻、沉积物和海水样品,采用MGYTC培养基,分别于55°C和30°C对样品中的微生物进行培养和分离纯化;采用16S rDNA鉴定种属并构建进化树;研究培养温度和盐度对几种菌株生长的影响。【结果】共获得4个纲、9个属的12种菌株,与已知种属的相似度高于98%。芽孢杆菌纲嗜热放线菌科2个属的菌株和芽孢杆菌属菌株在55°C培养时获得,为嗜热菌株;其中高温放线糖莱斯菌(Laceyella sacchari)和热噬淀粉芽孢杆菌(Bacillus thermoamylovorans)可以在0 90的盐度范围生长。γ-变形菌纲希瓦氏属的Shewanella upenei、Shewanella algidipiscicola和鲍希瓦氏菌(Shewanella haliotis)可适应30°C 55°C的生长环境。【结论】研究获得的菌株,具有耐热、耐盐或对温度适应范围广等特性,有望成为生物技术领域的新资源;分离获得的Tepidibacter formicigenes,深海微小杆菌(Exiguobacterium profundum)和魔鬼弧菌(Vibrio diabolicus)曾被报道来源于深海热液区,这对于阐明海洋热泉与深海热液环境的内在联系提供了参考。     

西北印度洋卡尔斯伯格脊卧蚕热液羽流影响区细菌群落结构特征及其演化

【目的】热液羽流影响区包括热液羽流流经区域和羽流中性浮力层下方受热液颗粒物影响的区域。随着热液羽流的演化,热液羽流影响区内微生物群落的结构组成也会发生相应的变化,但是,由于观测和取样困难等原因,迄今热液羽流影响区不同空间位置微生物的群落结构特征及其在月际尺度上的演化尚不清楚。【方法】中国大洋49航次在卧蚕1号热液喷口东南侧300 m处投放了沉积物捕获器锚系,在不同离底高度开展了为期18个月的观测和时序采水。本文采用Illumina MiSeq高通量测序技术对水样中的微生物类群进行测序分析,结合现场实时探测的浊度异常资料,研究卧蚕热液区附近中性浮力羽流和热液颗粒沉降区细菌群落结构的特征和演化及其影响因素。【结果】结果表明,样品中细菌群落以γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、弯曲菌纲(Camplylobacteria)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、拟杆菌纲(Bacteroidia)、梭菌纲(Clostridia)和脱硫叶菌纲(Desulfobulbia)为主。在时间上,优势类群的相对丰度随浊度起伏发生变化,当浊度异常值升高时,弯曲菌纲相对丰度...     

西北印度洋卡尔斯伯格脊卧蚕热液羽流影响区古菌群落动态变化特征

【目的】热液羽流在浮力上升和非浮力侧向迁移过程中与背景海水不断进行物质和能量的交换。因海底热液活动和洋流的流速流向均存在动态变化性,热液羽流的高度、物理化学参数和微生物群落也随时空发生演化。然而,由于缺乏热液羽流的长期监测和时序取样,微生物群落(尤其是古菌)的多样性及其时空演化尚不清楚。【方法】2018年7月-2019年6月,在卧蚕1号热液喷口东南300 m处放置了一套带有2个沉积物捕获器(分别距海底300 m和40 m)和一个浊度仪(距海底150 m)的锚系潜标,对热液羽流和热液羽流下方颗粒物沉降区的近底水样进行了为期18个月的观测和时序采样。本研究采用16S rRNA基因高通量测序技术研究了水样中古菌群落的多样性,以了解羽流层和近底沉降层古菌群落结构的特征与时空演化。【结果】热原体纲(Thermoplasmata)、甲烷八叠球菌纲(Methanosarcinia)和甲烷杆菌纲(Methanobacteria)等热液来源古菌,当浊度异常值较高时,它们的丰度也增加。从空间上看,热液羽流区和近底沉降区古菌群落结构在门和纲水平上具有相似性,但在目水平上表现出差异性,而且各主要类群的相对丰度也存在差异,其中热原体纲在羽流层中的丰度普遍高于近底沉降层,而氨氧化古菌和甲烷八叠球菌纲在沉降层的丰度较高。【结论】卧蚕热液区东南300 m热液羽流层和近底沉降层均受到了热液的影响,羽流层受热液影响的程度相对更显著,而近底沉降层除了受到一定程度的热液影响外,还可能受到了再悬浮沉积物的影响。热液贡献大小的动态变化和底层沉积物再悬浮可能是造成热液区近端水体古菌群落时空异质性的主要因素。本研究深化了对热液影响区古生菌群落结构及其月际尺度时空分布特征的认识。     

多重极端环境中的生命:深海热液中的超嗜热古菌Thermococclaes

超嗜热古菌Thermococcales是一类在类早期地球环境深海热液系统中常见的优势微生物类群,同时也是一类很好地适应了热液系统中剧烈波动的理化因子的微生物,部分Thermococcales微生物具有惊人的生长跨度(超过40℃的温度生长跨度、超过5个pH单位的pH生长跨度以及超过80 MPa的压力生长跨度),同时与其他绝大多数微生物相比具有较小的基因组(2.3 Mb).有关Thermococcales在不同极端环境下的适应性研究发现,其特殊的代谢途径与多重极端环境适应相关,这些代谢途径包括:相容性溶质、能量代谢、膜脂、氨基酸代谢及抗氧化途径,进而发现可能存在应对多重极端环境的共同适应机制.研究Thermococcales的共同适应机制,可帮助探索深部生物圈这样低能、高温极端环境下(包括域外)微生物的生存策略,将为探究早期生命的代谢特点,进而更好地理解生命起源提供宝贵的模型和研究思路,也为合成生物学研究及工业化应用提供理论借鉴与生物材料.     

西南印度洋深海热液羽流海水细菌的多样性

[目的]分析西南印度洋深海热液羽流细菌的多样性特点,为认识该特殊环境微生物对大洋生态系统的影响,以及获得特殊的微生物资源奠定基础.[方法]将西南印度洋深海热液羽流海水进行原位浓缩,对获得的1000倍浓缩海水样品进行富集培养和微生物纯培养 ;通过构建原始海水浓缩样品和富集培养物的16S rRNA基因克隆文库,结合纯培养获得的微生物菌株的16S rRNA基因,分析该样品的细菌多样性结构和特点.[结果]共获得104个16S rRNA基因,其中50个来自原始热液羽流浓缩海水样品,40个来自富集培养物,14个来自分离获得的纯培养,它们分属于γ-变形菌群(γ-Proteobacteria)(74个),α-变形菌群(α-Proteobacteria)(14个),β-变形菌群(β-Proteobacteria)(5个),拟杆菌群(Bacteroidetes)(4个),厚壁菌群(Firmicutes)(2个),浮霉状菌(Planctomycetes)(2个),疣微菌(Verrucomicrobia)(2个)以及放线菌(Actinobacteria)(1个),共29个不同的操作分类单元(Operational Taxonomic Units,OTUs).26个序列与已知微生物16S rRNA基因相似性低于97％,最低的只有86％.[结论]西南印度洋热液羽流存在较丰富的微生物多样性,以γ-Proteobacteria为优势类群,其次为α-Proteobacteria ;该环境中存在较多尚未获得分离培养的微生物新属种.     

深海热液区化能自养菌Caminibacter profundus氢酶及其对H2的响应特点

化能自养菌中的氢酶在深海热液区生态系统的物质和能量转化中具有重要作用。以Caminibacter profundus为研究对象,通过设计PCR引物,克隆编码膜结合的类型I NiFe-氢酶大亚基基因序列hynL并进行生物信息学分析;研究hynL相对表达、甲基紫晶(MV)还原氢酶活性以及菌株生长对H2浓度变化的响应特点。结果表明,从C.profundus克隆获得864 bp的hynL基因片段,其编码的氨基端序列与Lebetimonas acidiphila的相似性为99%,与热液区化能自养的Epsilonproteobacteria D类群的类型I NiFe氢酶大亚基属同一分支。hynL相对表达量和MV还原的氢酶活性分别于12 h和24 h达到最高,此时菌体处于指数生长期;hynL相对表达量和MV还原的氢酶活性和菌株生长的最适H2浓度均为60%。提示C.profundus通过调控hynL的表达,响应环境中H2浓度的变化,以影响菌株能量代谢的催化过程和生长繁殖。     

南海深海沉积物中52株真菌的初步分离鉴定及其代谢产物活性

【背景】深海环境复杂多样,蕴含着丰富的真菌资源,为深海真菌结构新颖代谢产物化学及生物活性研究提供了新契机。【目的】对南海深海环境来源真菌进行初步鉴定和代谢产物活性初步研究,旨在筛选和发现潜在的药源真菌新资源,为南海深海真菌资源的进一步开发利用奠定基础。【方法】基于内转录间隔区(ITS)序列测定对分离得到的52株真菌进行初步鉴定,利用纸片扩散法、Solis改良法和DPPH自由基清除法对真菌粗浸膏进行了抗菌(ABA)、卤虫致死(BSL)和抗氧化活性(ABTS)筛选。【结果】52株真菌分布在16个属,其中枝孢菌属(Cladosporium)、曲霉属(Aspergillus)为优势菌群,分别占菌株总数的25.00%、23.08%;32株真菌发酵产物具有抑制至少1种指示菌的活性,其中8株对所有指示菌均有抑制作用;23株具有一定强度的卤虫致死活性,占总数的44.23%,其中有2株活性较显著,IC50值为68.59μg/mL和78.83μg/mL;30株具有DPPH自由基清除活性,占总数的57.69%,其中有9株活性较显著,EC50值低于100μg/mL。【结论】初步认知了南海部分海域深海沉积环境真菌分布和代谢产物活性特征,发现了一批潜在的活性真菌资源,为后续深海真菌代谢产物化学多样性及其功能研究提供支撑。     

一株深海热液环境来源的PAHs降解菌TVG9-Ⅶ的系统发育与降解基因

【目的】对一株深海热液环境来源的多环芳烃(PAHs)降解菌进行系统发育分析并对其降解特性和降解机制进行研究。【方法】对16S rRNA基因进行扩增和测序,进行基于16S rRNA基因序列的系统发育分析;利用GC-MS测定其对PAHs的降解率;通过构建基因组Fosmid文库,克隆PAHs降解基因簇;并利用RT-PCR和qPCR研究关键降解酶基因在不同PAHs诱导下的表达情况。【结果】从西南太平洋劳盆地热液沉积物中分离到一株PAHs降解菌株TVG9-Ⅶ,系统发育分析结果表明,该菌株属于新鞘氨醇杆菌属(Novosphingobium),与该属的Novosphingobium indicum H25T系统发育关系最为密切,它们的16S rRNA基因序列相似性高达99.7%。该菌株在21 d内对菲、荧蒽和芘的降解率分别为95.2%,57.3%和69.6%。从Fosmid文库中筛选得到一个负责PAHs降解的上游基因簇,包含了PAHs起始降解双加氧酶大小亚基(pheA1a/b)基因和一个脱氢酶基因;RT-PCR和qPCR实验表明,双加氧酶大亚基基因pheA1a在菲的诱导下上调表达4.2倍,而在萘及高环荧蒽和芘的诱导下无上调。【结论】菌株TVG9-Ⅶ是Novosphingobium属深海热液来源的PAHs降解菌,具有良好的降解特性,特别是对高环PAHs的降解效果较好。