影响南海深海碳循环的底栖微生物氮营养盐补充过程和机制研究

南海是西太平洋最大边缘海，也是我国最深边缘海，巨大海域面积、庞大水体及深海沉积物体积使其具有较大CO2吸收和碳储藏潜力。然而，南海大部分水域生物生产力较低，由水体向海洋深部输送和埋藏的有机碳较少，氮营养盐缺乏构成了南海生态系统主要限制性因子。微生物固氮是寡营养环境氮营养盐补充重要机制，在海洋"生物泵"及"深海碳循环"等功能过程中发挥重要作用，在氮营养盐贫乏的南海可能极其重要。系统研究南海深海固氮微生物多样性、固氮速率、氮营养盐补充贡献量及时空分布变化规律，将有助于了解南海氮营养盐动态、收支及其对生物生产力的影响，有助于解析影响南海深海碳循环及深海能源形成环境（深海油气、天然气水合物等）生物地球化学过程的关键过程和因素，为解答"南海深海过程演变"这一重大研究计划的"深海碳循环以及微生物的作用"和"深海能源形成的生物地球化学背景"等核心科学问题提供关键性科学数据、结论和新发现、新思路、新见解。

氮缺乏构成了南海生态系统主要限制性因子，微生物固氮是氮营养盐补充重要机制。该基金项目主要对南海沉积环境固氮及参与固氮产物能量代谢的微生物进行了分子生态学研究，获得了一些重要发现。. nifH基因克隆文库分析发现，南海北部沉积环境具有极其丰富多样的固氮细菌和古菌。系统进化分析表明该环境具有9大类NifH序列类型，大部分为全球首次发现。携带nifH的微生物群落在南海具有显著空间分布异质性，沉积物温度为关键控制因子。该环境微生物nifH基因拷贝数在8.50×105~5.65×107/g之间，其与沉积物温度、间隙水铵浓度、总无机氮含量及无机氮/无机磷比皆呈正相关。在南海还发现了海底冷泉和天然气水合物赋存区甲烷厌氧氧化古菌（ANME-2c）特有nifH序列，nifH、nifD及mcrA基因定量发现这类携有nifH的古菌仅出现在南海天然气水合物及其疑似区附近，可能为南海天然气水合物环境特征类群。. amoA基因克隆文库分析发现，南海北部沉积环境具有丰富多样的氨氧化古菌，其具有2种amoA序列类型，分别对应陆源和海源环境。细菌和古菌膜脂化合物分析进一步证实了菲律宾岛屿附近深海环境受到强烈陆源输入影响。统计分析表明，南海沉积环境氨氧化古菌群落具有显著空间分布异质性，沉积物温度和有机磷含量为关键环境因子。基因定量分析显示，该环境具有丰富的奇古菌16S rRNA、amoA和hcd基因，其丰度呈显著正相关，表明这些古菌具有氨氧化和固碳潜力。偏相关分析进一步表明，携带amoA的古菌贡献了环境中的氨氧化作用，无机磷可获得性可能是其关键控制因子。奇古菌生理代谢过程可能是海洋沉积物中碳、氮、磷生物地球化学循环作用的关键交汇点。. 进行了南海北部沉积环境厌氧铵氧化细菌16S rRNA和hzo基因文库构建及定量分析，发现Scalindua属为主要类群，而一些近岸浅海站位还有在海洋环境鲜有报道的类似于陆源环境的厌氧铵氧化细菌。我们在南海、渤海及西北太平洋鄂霍次克海沉积环境还发现了可能是太平洋特有的厌氧铵氧化细菌一潜在新种，Candidatus Scalindua pacifica。. 另外进行了珠江口及邻近海域沉积环境固氮和厌氧铵氧化等生物地球化学速率测定，获得了氮、碳循环部分关键微生物类群稳定同位素探针（SIP）检测样品，后续工作将对项目成果提供进一步验证。