海洋沉积物中古菌介导的碳循环机制研究

Marine sediment is the largest organic carbon （OC）reservoir on Earth, its degradation / transformation and burial process influence the element biogeochemical cycling and climate change. Microorganisms play a leading role in degradation / transformation of OC, as well as the process of elemental cycling in marine sediments. This proposal targets the core theme of the Key Research Project – the mechanism of microbe driven element cycling. We will focus on archaea from sulphate-methane transition zone (SMTZ) and methanogenesis zone in the sediments. Based on the three scientific hypotheses, we will use state of art cross-disciplinary geomicrobial and geochemical technologies including omics analyzing tools, molecular microbial ecological approaches, microbial enrichment, stable isotope tracing and single cell activity detection technology, to unveil the diversity and uniqueness of archaeal metabolisms in marine sediments, as well as the interaction mechanisms of their distribution with environmental factors. We will also try to find new archaea lineages, novel mechanism of substance and energy metabolism. It is expected that the outputs of this project would eventually provide new knowledges on archaea mediated Earth's important element cycling and their influences on the climate.

海洋沉积物是地球上最大的有机碳库，它的降解/转化和埋藏过程及其机制研究是认识和理解地球元素生物地球化学循环和气候变化的重要环节。微生物在沉积物有机质的降解/转化和元素循环过程中起到了主导作用，本申请项目针对重大研究计划的核心科学问题---微生物驱动地球元素循环的机制开展研究，以海洋沉积物硫酸盐-甲烷转换带（SMTZ）和产甲烷带古菌为主要研究对象，运用先进的地微生物学和地球化学等学科交叉技术手段包括组学分析技术，微生物分子生态技术，微生物富集培养，稳定同位素示踪技术，单细胞活性检测技术等，围绕提出的三个科学假设的验证，来揭示沉积物古菌代谢和生态功能的多样性和特殊性，它们的分布与环境因子的相互作用关系和调控机制；发现新的古菌类群和新的物质能量代谢方式及其介导元素循环的机制。预期将推动和丰富我们对古菌参与地球重要元素循环以及它们对气候影响的理解和认知。

海洋沉积物是地球上最大的有机碳库，它的降解/转化和埋藏过程及其机制研究是认识和理解地球元素生物地球化学循环和气候变化的重要环节。微生物在沉积物有机质的降解/转化和元素循环过程中起到了主导作用，本项目围绕微生物驱动地球元素循环的机制开展研究，以海洋沉积物大分子有机质转化、烷烃厌氧氧化过程和铁结合有机质的转化过程为主要研究对象，揭示了沉积物古菌代谢和生态功能的多样性和特殊性以及它们的分布与环境的相互作用关系和调控机制；发现了新的古菌物质能量代谢方式及其介导元素循环的机制。重要的研究成果主要包括：1，在海洋沉积物大分子有机质转化方面，揭示了深古菌在厌氧的沉积物环境中对木质素降解有重要作用，脱甲基反应极有可能是河口及近岸厌氧沉积环境中木质素降解的关键过程；2，发现烷烃代谢类群的古菌在全球范围内分布非常广泛，并且具有不同的类群特征。发现了一类全新的烷烃厌氧代谢古菌具有在一个细胞内进行烷烃厌氧氧化与异化硫酸盐还原过程的潜力；3，优化发展了沉积物微生物原位检测方法，发现南海沉积物硫酸盐还原带存在一个隐匿的甲烷循环过程，即在海洋硫酸盐还原带中含有浓度较高的小分子甲基化合物，产甲烷菌可以利用这些一碳化合物产生甲烷；4，发现了3个阿斯加德古菌新门，涅尔德古菌极有可能是目前距离真核生物最近的古菌物种，推测真核生物的古菌祖先利用氨基酸等小分子有机质产生乙酸或氢气与 α-变形菌共生，这种长期的互利共生关系可能导致最终的内共生及真核生物的出现。研究工作共发表论文19篇，包括Nature Microbiology, PNAS, Sci China Life Sci等SCI论文16篇，ESI高被引论文1篇，在海洋沉积物古菌研究方向产生了重要的学术影响。