科研 | Front. Mar. Sci.：克拉里昂-克利珀顿区东北部深海硝化微生物的空间变异性

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论文ID

 

原名：Spatial variability of abyssal nitrifying microbes in the north-eastern Clarion-Clipperton Zone

译名：克拉里昂-克利珀顿区东北部深海硝化微生物的空间变异性

期刊：Frontiers in Marine Science

IF：4.912

发表时间：2021.07.26

通讯作者：Anita L. Hollingsworth

通讯作者单位：南安普顿大学海洋与地球科学学院，南安普顿国家海洋学中心

DOI号：10.3389/fmars.2021.663420  

实验设计

 

 图1. 太平洋克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）特殊环境利益区域（APEI-6）和UK-1勘探合同区域的取样位置。APEI-6四个景观区域内的取心位置用红星表示。红色多边形为UK-1的位置，绿色方框为APEI-6的位置，蓝色方框为APEI-6内采样点的位置。

结果

数据归一化后，在91个沉积物和11个结核样品中鉴定出547,400个读长（reads），包含36,815个ASVs（表1）。在APEI-6的ASVs中，19%为古菌，81%为细菌。在UK-1中，古生菌比例略高，21%的ASVs为古生菌，79%为细菌。

沉积物中2 cm以上的沉积物组合比APEI-6中多金属结核伴生的沉积物组合更多样化（单因素方差分析，P = 0.005，F_1,46 = 8.99，R² = 0.17）。UK-1沉积物的α多样性（观察到的ASVs：均值= 755，SE±82；Shannon多样性：8.75±0.15）高于APEI-6沉积物（ASVs：675±14；Shannon：8.72±0.01）和结核（ASVs：288±8；Shannon：7.34±0.18）的α多样性（图2A-C）。尽管在APEI-6内的沉积物层间和地形区域之间的α多样性不显著，但除海脊外，APEI-6中深层（5-22 cm）的沉积物比沉积物表面的多样性更大。沉积物多样性主要集中在平缓地区，5-6cm层多样性最高（观察到的ASVs：2000±447；Shannon多样性：9.35±0.52），20-22cm层多样性最低（观察到的ASVs：534±114；Shannon多样性8.36±0.38）。在UK-1，在表层也观察到更大的α多样性，特别是在1-2 cm（观察到的ASVs 1089±412；Shannon多样性：9.15±0.68）。与APEI-6沉积物（805±46）相比，估算的丰富度（Chao1，图2D）总体上在UK-1沉积物（978±159）中较高。

∗当采集核时，这些都是短核（小于30 cm）。共分析了102个样品（91个沉积物样品和11个结核）。从每个核内的0-1、1-2、5-6、10-12和20-22 cm各水平面上取一个样本，n = 5。每个结核进行一个重复的单独分析。

在APEI-6、UK-1和结核样品中，使用非度量多维尺度图来可视化沉积物层间微生物群落组成的差异（图3）。结核相关的微生物组合与APEI-6沉积物样品分开聚集（图3A）。底栖地形只解释了2.7%的β多样性变异，并且没有统计学意义。在APEI-6中，沉积物层位深度对群落组成的显著影响（PERMANOVA, p = 0.001, F_4,83 = 6.977，表2），占沉积物群落总体组成和结构方差的23%。地形和深度之间的交互作用不显著，但占方差的9.6%（表2）。我们观察到核心方差之间比较大（20%），表明地形区域之间的微生物组成存在一定程度的异质性（PERMANOVA, p = 0.001, F_18,83 = 1.3212，表2）。我们还注意到UK-1沉积物样品与APEI-6沉积物和结核形成了一个截然不同的簇（图3B）。然而，由于缺乏重复，无法对UK-1样本进行统计分析。

在APEI-6中，环境变量在很大程度上是同质的。在APEI-6的四个采样区域中，TC、TOC、TN、TOC:TN、TC:TN、CaCO₃、Mn和平均粒径的相对比例非常相似，没有检测到显著差异。不同研究区域的结核覆盖率差异显著，较深的平缓海域的结核密度最大（表3）。

图3. 基于Bray-Curtis距离的微生物群落差异非度量多维标度（nMDS）图。这些点代表单个样本，它们彼此之间的接近性表明它们的相似性。从群落结构和组成上看，各点之间的距离越近，样本之间的相似性就越大。（A） 克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）地区APEI-6和UK-1沉积物剖面（0-22 cm）中结核相关和沉积物群落。结核来自APEI-6深层平原和平原地区表层沉积物（0-1 cm）。（B） APEI-6和UK-1四个区域沉积物顶部2cm的沉积物群落。结核来自APEI-6深层平原和平原地区表层沉积物（0-1 cm）。环境变量与样本的关系用箭头表示，箭头长度越大，相关性越强。环境变量来自Jones et al., 2021和 Menendez et al.,2019。

表2. 输出排列多元方差分析（PERMANOVA），对相对丰度计数进行平方根转换，在创建Bray-Curtis不同相似性矩阵之前，沉积微生物组合在APEI-6，所有16S微生物组合沉积物微生物组合中的碳固定和硝化类群和特古菌门亚硝基菌纲的特定分类群显示如下：

相互作用效应“Core”指的是Megcore，嵌套在地势内部。地形与泥沙层位交叉。基于平方和(SS) 的百分比变化显示为列 “% var”。

表3. 在JC120巡航期间收集的每个APEI-6 SW景观类型和UK-1（英国海底资源有限公司东部合同区）的沉积物生物地球化学和环境数据。

每个5 cmbsf沉积物剖面间隔的粒度作为样本平均值列出，显示最小值和最大值。由于缺乏重复，没有给出UK-1的范围。锰（Mn）值来自Menendez等人（2019），在JC120巡航期间采集，显示了APEI-6和UK-1的最上层14 cmbsf范围内的沉积物。

总体而言，整个数据集中32%的群落由变形菌门组成，包括Gammaproteobacteria（13%）、Alphaproteobacteria（12%）、Deltaproteobacteria（5%）和Betaproteobacteria（1.5%）（图4）。分配给Thaumarchaeota的序列在整个沉积物微生物组合中占很大比例（UK-1 = 20%，APEI-6 = 19%）。在APEI-6结核中，这一比例较低（11%）。Thaumarchaeota的优势类群为亚硝基菌属（Nitrososphaeria），该类群占沉积物群落的12-23%，占结核相关群落的11%。在沉积物群落和结核群落中，亚硝基菌属的优势属均为Candidatus Nitrosopumilus，平均占沉积物群落的12%，结核相关群落的7%（图5）。在沉积物中，亚硝基古菌（Nitrosopumilus）丰度最高的是表层沉积物，在APEI-6和UK-1的所有地形景观中丰度范围为10-14.5%（±2.10）。总体而言，在UK-1沉积物中亚硝基古菌（Nitrosopumilus）（10%）的富集程度高于APEI-6沉积物（5%）。亚硝基菌在APEI-6（14.5%±1.29）和UK-1（14%）中丰度最高。

在门水平的沉积物组合中，其他普遍存在的类群还包括：浮霉菌门（Planctomycetes）（11.5%）、绿脓杆菌门（Chloroflexi）（9%）、酸杆菌门（Acidobacteria）（5%）、拟杆菌门（Bacteroidetes）（4%）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）（4%）、Nitrospinae（3%）、Nitrospirae（2%）和放线菌门（Actinobacteria）（1%）。 在APEI-6和UK-1沉积物组合的纲水平上丰富的类群包括Dehalococcoidia （Chloroflexi, 7%），Phycisphaerae （Planctomycetes, 7%）， Bacteroidia （Bacteroidetes, 3%），Nitrospinia （Nitrospinae, 2.5%）， Gemmatimonadetes （Gemmatimonadetes, 2%），Nitrospira （Nitrospirae, 1.5%）， Planctomycetacia （Planctomycetes, 1.5%），OM190（Planctomycetes, 1.5%）。沉积物组合中最占优势的属为Ca. Nitrosopumilus （6.5–10%）、Urania-1B-19海洋沉积物群（Planctomycetes, Phycisphaerae, 3%）、Kiloniellaceae中未培养的细菌 （Alphaproteobacteria, 2.5–3%）、Woeseia （Gammaproteobacteria，2.5-3%）、亚硝基菌纲中未培养的亚硝基菌目古生菌（Thaumarchaeota, 2-2.5%）， 磁旋菌科中未培养的细菌 （Alphaproteobacteria, 1.5-2%），Nitrospina （Nitrospinae, 1.5%）和 Nitrospira （Nitrospirae, 1.5%）。

沉积物垂直层间的微生物群落组成不同，这些差异受到地形的影响（表2）。例如，亚硝化菌纲（Thaumarchaeota）的类群丰度在每个地形区域的沉积物剖面上都有所不同，解释了37.4%的β多样性方差（PERMANOVA, p = 0.001, F_3,83 = 14.50，表2；图5）。然而，在较深的平缓海域, Thaumarchaeota通过沉积物随深度增加，而在山脊则相反。在平槽处，沉积物顶部1 cm处的Thaumarchaeota丰度较高（>占序列的20%），随着深度的增加，其丰度在中层开始下降，在20-22 cm处再次增加。在UK-1，顶部2 cm的Thaumarchaeota的丰度最高（24%）。然而，在沉积物剖面上，该类群的丰度迅速下降，在最深处降至11.5%。在沉积物剖面上，某些微生物类群的丰度随深度的增加而增加。在APEI-6和UK-1上，酸杆菌和Rokubacteria的丰度都遵循这种模式。Rokubacteria在UK-1处最多，在10-12 cm处达到高峰，在更深的土层中数量下降。α变形菌门只在APEI的深层增加，而在UK-1沉积物中则相反。除20-22 cm的APEI-6层外，沉积物中蓝藻基本不存在。其他类群如放线菌门（Actinobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）在APEI-6和UK-1沉积物中随着深度的增加而减少。γ变形菌门和Nitrospina的丰度在两处沉积物的中层（5-6 cm）中均有所下降，但在更深的层（10-22 cm）中又有所增加。其他类群则遵循相反的模式，如Chloroflexi、Gemmatimonadetes、Nitrospira和Planctomycetes，它们的相对丰度在5-6 cm土层中达到峰值，然后逐渐下降到沉积物剖面的深处。

图4. 克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）APEI-6和UK-1结核和沉积物（0-22 cm）相关在门水平上扩增子序列变异（ASVS）的相对丰度。结核来自APEI-6的深平原和平坦地区的表层沉积物（0-1 cm）。仅显示相对丰度≥1%的类群。其他类别代表1%的相对丰度。相对丰度是通过按库大小缩放序列计数来计算的，这些样本首先被归一化以解释不均匀的采样深度。

结核相关群落的丰度高于沉积物，占总序列的37%，而在沉积物中占32%，主要由Gammaproteobacteria（14%）、Alphaproteobacteria（14%）、Deltaproteobacteria（6.5%）和Betaproteobacteria（2%）驱动。Gammaproteobacteria的优势是由Thiohalorhabdaceae、Woeseiaceae （Woeseia属）、Arenicellaceae和KI89A分支驱动的。在Alphaproteobacteria中，最丰富的科是Kiloniellaceae和Magnetospiraceae，而在Deltaproteobacteria中最具代表性的类群是黏菌目和SAR324分支。Betaproteobacteria主要以亚硝基单胞菌属的ASVs为主。根瘤群落中浮霉菌门（Planctomycetes）的丰度也较高，与沉积物中11.5%的序列相比，浮霉菌门（Planctomycetes）的丰度为17%。这种差异是由Phycisphaerae类、OM190、Planctomycetacia和Pla4谱系的富集造成的。Bacteroidetes门在根瘤群落中也更丰富，结核群落的形成率为9%，而沉积物群落的形成率为4%，且富含红藻科和环菌科的未培养属。与沉积物相比，某些门的结核相关组合也减少，即Thaumarchaeota（11% 结核，19% 沉积物）、Chloroflexi（5%的结核，9%的沉积物）、Gemmatimonadetes（2.5%的结核，4%的沉积物）和Rokubacteria（0.2%的结核，1%的沉积物）。

我们还观察了在深平原和平原区结核微生物群落中发现的主要类群的群落组成和丰度差异（补充表1，2）。结核相关群落中优势属Ca. Nitrosopumilus在深平原结核中相对丰度平均为10%，在平原结核中相对丰度平均为6%（图5）。Gammaproteobacteria中的Thiohalorhabdaceae科在深平原结核中形成相对丰度为5%，而在平坦结核中形成相对丰度为2%。在根瘤组合中，深层平原相对丰度超过1%的类群数量也多于平原区。Cohaesibacter （Alphaproteobacteria）、AqS1 （Gammaproteobacteria）、Pelagibius （Alphaproteobacteria）、JdFR-76 （Calditrichaeota）和LS-NOB （Nitrospinae）等类群在深平原结核组合中相对丰度超过1%，而在平原结核组合中则低于1%的界限。Aquibacter （Bacteroidetes）和Pir4谱系（Planctomycetes）仅存在于平坦结核相关组合中最丰富的类群中，而不存在于深平原结核中。

图5. APEI-6和UK-1在属或科水平上每个区域的沉积物和结核中最丰富的固定碳和硝化微生物的扩增序列变异（ASVs）的相对丰度。Nitrososphaeria包括该纲中除属外的所有分类群包括Candidatus Nitrosopumilus，属于一个单独的类别。仅显示相对丰度≥1%的类群。相对丰度是通过按库大小缩放序列计数来计算的，这些样本首先被归一化以解释不均匀的采样深度。

图6. APEI-6和UK-1沉积物和结核相关群落中固定碳和硝化微生物扩增序列变异（ASVs）的总相对丰度。误差条代表每个类别3个或更多重复的标准差。相对丰度是通过按库大小缩放序列计数来计算的，这些样本首先被归一化以解释不均匀的采样深度。

在APEI- 6和UK-1沉积物中的微生物组合比与多金属结核相关的微生物组合更多样化，这一发现与在太平洋其他地区进行的研究一致。与潜在的金属循环相关的微生物（Magnetospiraceae和Kiloniellaceae）、有机碳再矿化作用（Woeseia）和硫氧化作用硫盐藻科（Thiohalorhabdaceae）在结核中的富集程度高于沉积物中。其他在结核中更普遍的ASV包括AqS1、Cohaesibacter、JdFR-76、Pelagibius、Nitrospina和Nitrospira。这些ASVs以前在其他结核相关群落也有报道。

以前，深海平原生境被认为是同质景观，微生物组分在沉积物中的分布被认为是世界性的。然而，大型动物、大型动物和小型动物等后生动物的分布受到海底异质性的影响。

海底的水深变化可以改变海底流速，从而影响局部沉积速率和POM沉积。而在CCZ，各景观区域之间的环境特征基本一致。在景观区域间，TC、TOC、TN、TOC:TN、TC:TN、CaCO₃和Mn的粒度分布和相对比例变化不显著（表3），在CCZ附近也有报道。据报道，CCZ的沉积物在2-3 m深度下被氧化（50 μmol/L⁻¹），在APEI-6的4种景观类型中，大于2.0 m深度的氧穿透深度（OPD）相似。然而，不同地貌区域之间确实存在差异的一个因素是海底的结核密度，深平原的结核密度是平原、山脊和水槽的两倍（表3）。

在APEI-6上，我们观察了地形区域内岩芯之间的沉积物组合结构和组成的空间差异，包括小尺度（cm）、沉积物深度剖面和中尺度（m到km）。在100米到公里的范围内，在每个地形区域的岩芯位置之间，组合的结构是不同的，这是以前在小动物中观察到的现象。

在APEI-6和UK-1之间，底栖生物组合也在数百公里的更大尺度上有所不同。然而，UK-1缺乏重复，妨碍了稳健的统计分析。我们注意到UK-1的α多样性高于APEI-6，Lindh等人（2017）也报道了这种模式。假定的化能石化自养微生物，如亚硝基索普菌，在UK-1沉积物中更为普遍，特别是在表层。在APEI- 6的深层沉积物中发现了另一组非光合作用的蓝藻，即Melainabacteria细菌S15B-MN24 CBMW_12，但在UK-1沉积物中基本不存在。两个地点组合的差异可能是由不同的生物地球化学所驱动的。UK-1沉积物的化学组成与APEI-6沉积物不同，UK-1沉积物中总碳（TC）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、TOC:TN和TC:TN比值、CaCO₃（表3）以及矿物质Mn、Ni、Cu的比例较高。邻近APEI-3沉积物的生物地球化学特征与接触区存在差异，且动物群丰度较低。与APEI-6相比，UK-1地区更靠近上覆水域初级生产力较高的赤道地区，导致POC到沉积物的通量更高。因此，UK-1沉积物的氧渗透深度（OPD） （~150 cmbsf）比APEI-6沉积物的氧渗透深度（OPD）更浅（＞300 cmbsf），这可能会影响底栖生物组合结构和组成。

在深海中，人们现在认识到，化能岩自养微生物通过无机碳固定作用形成了有机碳的重要来源，在某些地区，无机碳可能等于或略大于浮游植物的输出量。硝化作用是底栖氮循环的重要过程，是深海化学自养碳固定的重要组成部分。尽管没有受到很好的限制，利用还原化合物驱动能量以固定碳，同时结合无机碳的合成代谢过程，可能是补充深海寡养沉积物中难降解碳的潜在重要策略。在第一步中，有机物腐烂释放的氨（NH₃）在氨氧化古菌（AOA）或氨氧化细菌（AOB）的作用下转化为亚硝酸盐（NO₂）。第二个反应是亚硝酸盐氧化为硝酸盐（NO₃），是由亚硝酸盐氧化细菌（NOB）催化的，为底栖生物群落提供了重要的有机物来源。事实上，底栖影响实验表明，在沉积物扰动和耕作之后，微生物硝化作用减弱，因此可能影响营养循环和不稳定有机物的可用性。

在所有四种APEI-6地形景观类型和UK-1内，沉积物和结核相关群落均由公认的化学自养和氮循环微生物主导，在沉积物和结核中分别高达29%和21%（图6）。我们在CCZ观察到一个硝化微生物群落，该群落的数量上由AOANitrosopumilus （Nitrososphaeria）主导，它将氨氧化为亚硝酸盐，此前在该地区的深海沉积物中已经观察到，尽管该地区的植物碎屑输入很少。也有其他的硝化菌存在，包括AOA：Candidatus Nitrosopelagicus, Candidatus Nitrosopumilus, Candidatus Nitrosotenuis，亚硝基菌纲（Nitrososphaeria）分类群；氨氧化细菌（ammonia-oxidizing）（AOB）Nitrosomonas（Betaproteobacteria）和AqS1 （Gammaproteobacteria）；亚硝基氧化细菌（NOB）、Nitrospina（Nitrospinae）和Nitrospira（Nitrospirae）。

在南太平洋环流、CCZ和秘鲁盆地的其他含铁锰沉积物中，也发现了相对丰度较高的AOACa.Nitrosopumilus和NOB属的Nitrospina和Nitrospira序列。在CCZ这些AOA和NOB组的高比例表明氨和亚硝酸盐氧化之间的耦合。这种共生现象在海洋环境中也被注意到，从水柱到浅层沉积物和深层沉积物，再到淡水环境，如寡养湖泊。至少就AOA而言，在低氨浓度的寡营养沉积物中，已有更多的报道，而且由于AOA对氨有更高的亲和力，它们在这些环境中胜过AOB。NOB产生的硝酸盐可用于其他微生物代谢，如氧化有机分子和还原硫化合物。

除了硝化作用外，深海生态系统中的碳固定也可能通过其他代谢途径和微生物谱系进行。在APEI-6和UK-1的沉积物组合中包含了甲烷营养分类单元wb1-A12（甲基紫薇科，NC10门）。这类细菌是依赖亚硝酸盐的厌氧甲烷氧化（N-damo）细菌，利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体将甲烷氧化成CO₂。此外，我们在沉积物组合中观察到SAR324分支（Deltaproteobacteria），它是一个代谢灵活的分类单元，既能异养，也能自养，能够氧化还原的硫化合物以固定无机碳。因此，这些微生物群，特别是硝化菌，在沉积物中无处不在，可能为CCZ的底栖生物群落提供有机碳和硝酸盐的来源。事实上，在缺乏大量还原化合物的深海环境中，微生物的碳吸收机制是可变的，值得在这些环境中进一步研究。

由于CCZ的许多微生物类群既没有被培养，也没有基因组测序，而且该区域的原位微生物活性或培养实验很少，仅从16S序列很难明确推断代谢能力。因此，应该进行宏基因组学来确认我们在这里假设的代谢功能，并将这些功能与分类标记联系起来。开发CCZ的全面微生物生态学将有助于我们了解微生物介导的生物地球化学循环，并将有助于从机制上理解底栖微生物群落对结核相关群落的整体恢复力的贡献。

APEI-6的微生物群落组成差异主要是由沉积物剖面的深度和中小尺度的海底异质性驱动的。我们在APEI-6和UK-1的沉积物中观察到多种多样的微生物组合。结核和沉积物群落不同。沉积物组合中硝化和固碳微生物的优势表明了CCZ中这些类群的关键生态作用，我们的研究结果强调了微生物群落在该生境中调节碳、氮和硫循环的重要性。

了解底栖微生物的多样性和功能作用对于可持续利用和保护用于商业规模深海采矿的生态系统至关重要。因此，在CCZ的APEI-6和采矿勘探区域确定底栖微生物组合的组成和多样性将是采矿活动之前必不可少的，并将是未来监测的有用工具。