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《中国科学院海洋研究所在诠释深海锰结壳生物矿化研究中获新突破》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： 熊萍
  • 发布时间：2025-01-06

  • 近日，中国科学院海洋研究所在深海微生物参与锰结壳形成研究上取得新进展，相关成果以2篇研究论文分别刊发于国际TOP学术期刊Environmental Research和mBio。

    锰结壳是一种广泛分布于深海海底的固体矿产资源，其形成过程可能与深海特殊地质环境中的物理化学条件或生物作用密切相关，然而关于其具体成因在学界尚未形成统一的观点。近年来研究发现，微生物的矿化作用在锰结壳的形成中扮演关键角色，其效率远超物理化学过程（>105倍）而备受关注。

    研究团队从西太平洋海底获得的锰结壳样品中，分离获得耐高浓度锰离子的深海盐单胞菌（Halomonas sp. MNB13），研究结果表明：菌株MNB13的半胱氨酸代谢参与调控锰元素的成矿过程，并证实其下游产物H2S直接决定氧化锰的生成量。

    研究团队还获得来自锰结壳样品的另一菌株Georhizobium sp. MAB10，能够耦合锰氧化和无氧光合作用进行生长，同时伴生出不溶性黑色锰氧化物。深入研究发现，MAB10菌株具备无氧光合系统，吸收近红外光生成ATP。在加入二价锰离子后，还原力产量显著增加，证实锰源电子可进入MAB10菌株呼吸电子传递链。此外，研究还定位了使二价锰氧化的关键蛋白，体外验证了其锰氧化功能。

    上述成果为微生物参与锰矿形成过程提供了直接实验证据，并诠释了其作用机制。中国科学院实验海洋生物学重点实验室刘建国团队的副研究员杨娜为上述论文通讯作者，中国地质大学（北京）教授徐秀丽、中国科学院实验海洋生物学重点实验室副研究员张立涛、北京工商大学教授宋福行和澳大利亚Griffith University教授Linlin Ma参与研究并作出重要贡献，中国科学院海洋研究所深海研究中心研究员张国良和“科学”号NORC2020-581航次人员在锰结壳样品获取中作出了重要贡献，相关研究获得中国科学院先导B和青岛市自然科学基金原创探索项目资助。

    论文链接：

    Xiuli Xu, Fuhang Song, Guoliang Zhang, Linlin Ma, Na Yang. 2024. Proteomic insights into the response of Halomonas sp. MNB13 to excess Mn(II) and the role of H2S in Mn(II) resistance. Environmental Research. 246:118157.

    https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013935124000616?via%3Dihub

    Xiuli Xu#, Litao Zhang#, Fuhang Song, Guoliang Zhang, Linlin Ma, Na Yang. 2024. Genomic insights into the alphaproteobacterium Georhizobium sp. MAB10 revealed a pathway of Mn(II) oxidation-coupled anoxygenic photoautotrophy: a novel understanding of the biotic process in deep-sea ferromanganese nodule formation. mBio. 10.1128/mbio.02675-24.

    https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.02675-24

  • 原文来源：https://qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202412/t20241230_7511710.html
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  • 《中国科学院海洋研究所在诠释深海锰结壳生物矿化研究中获得突破》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2022-12-21
    • 近日，中国科学院海洋研究所刘建国研究员课题组在深海微生物主导参与锰结核成矿研究上取得重要突破，相关结果以2篇研究论文分别在国际TOP学术期刊Chemosphere（IF=8.94）和Ecotoxicology and Environmental Safety（IF=7.129）上发表，该成果诠释了微生物代谢在锰离子富集及成矿中的作用机制。 锰结壳广泛分布于2000米以深的海底，在密集区每平米可达到百公斤以上，全球海底总储量估计约3万亿吨以上，是重要的战略性矿产资源。海底锰结壳通常生长于海底坚硬的海山或基岩上，其成因可能与深海特殊地质环境的物理化学条件或生物过程有关，但至今尚未有一致的观点。除了海底地质环境和物理化学条件以外，微生物矿化作用也非常值得关注。一些微生物的成矿效率可达物理化学作用的105倍以上，在锰结壳形成过程中可能发挥着重要作用。 研究团队从深度为~2500 m西太平洋海底获得的锰结壳样品中，首先分离获得一株耐高浓度锰离子的深海菌株寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp. MNB17），进而利用该菌株开展模式实验。结果表明：单胞菌菌株MNB17直接参与锰元素的富集与成矿过程，并证实其催化成矿类型与锰离子浓度有关，即锰离子浓度的高低决定着不溶性的碳酸锰和氧化锰形成。其中，在相对低浓度中，菌株MNB17可形成以菱锰矿（JCPDS#44–1472）为主的矿物；而在相对高浓度中，则形成以氧化锰矿（JCPDS#81–2261）为主的矿物。 研究团队通过代谢组学诠释了菌株在不同锰离子浓度下如何调控形成不同锰矿的过程。结果表明：在不同锰浓度下该菌株的能量代谢存在明显差异。其中，在相对低浓度锰离子溶液中，菌株MNB17有氧及无氧呼吸旺盛，同时脂肪酸发生降解，可为菌株代谢提供充足的能量，进行氨化作用形成菱锰矿；而在相对高浓度锰离子溶液中，菌株有氧及无氧呼吸下降，导致氨化作用减弱，负责锰离子氧化的多铜氧化酶的表达显著提高，因此氧化锰矿占比相应增加。此外，研究人员还通过向高浓度锰离子溶液中添加外源有氧呼吸底物，成功地将氧化锰矿转变为菱锰矿，验证菌株MNB17可通过调节能量代谢，参与不同浓度锰离子中的成矿过程，并决定最终成矿类型。 研究团队的另一结果还发现：高浓度锰离子条件下，菌株胞内ROS生成明显增加，ROS也参与催化氧化锰矿的形成。转录组学揭示：在锰离子培养条件下，菌株MNB17的组氨酸合成通路基因显著上调。组氨酸是α-酮戊二酸的前体，α-酮戊二酸通过非酶催化反应消除胞内过剩的ROS，减少氧化锰矿的生成。在此基础上，研究人员通过向高浓度锰离子溶液中外源添加组氨酸，成功地将氧化锰矿转变为菱锰矿，进而也验证了组氨酸代谢也参与了菌株MNB17锰成矿形式。 上述成果为微生物参与锰矿形成过程提供了实验证据，并诠释了其作用机制。我所实验海洋生物学重点实验室藻类与藻类生物技术团队的杨娜副研究员为上述论文的通讯作者，深海极端环境与生命过程中心张国良研究员在研究中做出了突出贡献。研究得到了中国科学院战略先导B专项和青岛海洋科学与技术试点国家实验室项目资助。 论文链接： Fuhang Song, Guoliang Zhang, Xiuli Xu, Steven W. Polyak, Kai Zhang, Honghua Li, Na Yang*. 2022. Role of intracellular energy metabolism in Mn(Ⅱ) removal by the novel bacterium Stenotrophomonas sp. MNB17. Chemosphere, 308,136435. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136435 Fuhang Song, Guoliang Zhang, Honghua Li, Linlin Ma, Na Yang*. 2022. Comparative transcriptomic analysis of Stenotrophomonas sp. MNB17 revealed mechanisms of manganese tolerance at different concentrations and the role of histidine biosynthesis in manganese removal. Ecotoxicology and Environmental Safety, 244, 114056. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114056 　　
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  • 《中国科学院海洋研究所在揭示海洋藻华在沉积物-海水界面砷释放作用机制方面取得新突破》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2023-10-12
    • 近日，中国科学院海洋研究所宋金明研究团队在揭示海洋藻类爆发通过加强微生物调控作用诱导沉积物-海水界面砷（As）的释放机制解析上获得新认识，量化了长江口每年藻类爆发时期可能触发的沉积物As的释放通量，对于评估重金属As的海洋生态效应具有重要科学价值。相关成果发表在国际学术期刊(Nature Index) Water Research（IF=12.3）。  近年来，近海和河口富营养化日趋严重，富营养化导致的藻类爆发已严重影响到海洋元素生物地球化学循环过程。重金属砷对水生生物具有急性和慢性毒性效应，其毒性会随还原形态的增加而加剧。藻类爆发引发的大量有机质降解会通过改变底层水体氧化还原条件刺激沉积物-水界面As(V)的还原，加剧沉积物中砷的释放，从而对海洋环境构成污染风险。然而，关于富营养化导致的藻类爆发对沉积砷循环的驱动机制和对水体的贡献尚不清楚。 宋金明研究团队以我国典型藻类爆发高频区长江口邻近海域为研究对象，基于藻类爆发高峰期生物量，提出富营养化可导致沉积物-水界面砷释放的三个过程，通过藻类添加培养实验，研究了不同藻类生物量下沉积物-水界面体系中上覆水、间隙水和固相沉积物中砷形态的剖面和时间变化，结合砷相关功能基因，揭示了藻类降解过程中沉积物-水界面砷的释放机制。 结果发现，高生物量藻类添加组中溶解总砷浓度的增加率显著高于实验对照组，且藻类添加组中沉积物-水界面的累积溶解总砷扩散通量是实验对照组的约7倍，藻类降解显著增加了沉积砷的释放。沉积物砷的快速释放发生在有机质的快速好氧矿化阶段；在有机质快速降解阶段之后，砷的释放得以维持。所有实验组的固相活性形态都以As(V)为主要存在形态；而在间隙水中，As(III)和As(V)分别是有机物最初的快速降解阶段和随后的缓慢降解阶段的主要溶解总砷形态，微生物的As(V)还原和Fe(III)还原分别为这两个阶段的主控因素。培养结束后，藻类添加组中异化As(V)还原菌arrA基因丰度相对于实验对照组显著增加，而异化Fe(III)还原菌Geobacter丰度并没有相应增加，说明藻类添加对砷释放的影响大于对铁的影响，且微生物还原而不是物理化学过程是驱动藻类添加组沉积物砷释放的主要途径。根据培养实验砷的扩散通量估算得出长江口夏季藻类爆发阶段可导致1440 kg沉积砷释放到上覆水中。 该研究阐明了富营养化在促进沉积物-水界面As释放中的作用，提出了不同于传统地球化学主控的藻类爆发下微生物还原主控沉积物-水界面As迁移释放的新论点，对沉积物-水界面As的释放和机制过程有新的认识，这对评估砷的海洋生态系统风险具有重要意义。 论文第一作者为段丽琴研究员，研究得到了国家自然科学基金、山东省基金等项目支持。 相关论文和链接：  Liqin Duan, Jinming Song, Yuting Zhang, Huamao Yuan, Xuegang Li, Lingling Sun, 2023. Role of marine algal blooms in the release of arsenic at the sediment-seawater interface: evidence from microcosm experiments. Water Research 244, 120508 (https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120508)
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