太平洋结核微环境中微生物群落组成及其环境适应机制研究

Polymetallic nodules and cobalt nodules are the important deep-sea mineral resources. The interior of nodules form relatively independent environments, are good material of research in deep-sea microbial environmental adaptation mechanism. In the past years, people did not know enough about the microorganism distribution and function in the deep-sea nodules because of the limitation in the sample collection and research technology. Recently, our group collected the deep-sea nodule samples, analyzed the diversity of microbial communities, and established the deep-sea microorganism research methods and technique platform. Based on the above studies, our research focuses on microorganisms which habit in the surrounding sediment, surface layer and interior of deep-sea nodules. Three aspects of research content will be carried out. Firstly, the microorganism diversity in the deep-sea nodules will be analyzed, and composition of microbial community and its correlation with environmental factors will be discussed. Secondly, the genes related to metal oxidation and reduction will be analyzed using meta-genomics data. Last but not least, the dominant microorganisms related to metal oxidation and reduction will be isolated using high throughput isolation method and high-specific medium isolation method. Their physiological features related to metabolisms of metal elements will be analyzed. The enrichment and transformation mechanism of metal elements will be assessed by genomic and transcriptomics analysis. Then the metal environmental adaptation mechanism in the nodule microenvironment will be ascertained. In generally, the proposal will help to reveal bioactivity characteristics of microorganisms in the nodule microenvironment, deepen the understanding of the microorganism function within the deep-sea ecological system of metal environment, provide potential application of biological environmental remediation.

深海多金属结核和富钴结核是具有重要战略价值的海底金属矿产资源。结核内部形成相对独立的微环境，是研究深海微生物金属环境适应机制的理想材料。以往受样品采集和研究技术手段限制，对结核内部微生物种类和功能了解不足。项目在已采集深海结核、积累结核内部微生物多样性数据，具备研究方法和技术平台的基础上，以结核外周沉积物、结核表层和结核内部微生物为研究对象，拟分析微生物多样性，探讨群落结构特征与环境因子的相关性；基于宏基因组数据挖掘与金属氧化还原功能相关的基因信息；采用高通量筛选和针对性培养基分离等方法筛选与金属离子转化相关的微生物类群，研究其金属代谢的生理特征；通过基因组和转录组分析解析其对金属元素的富集和转化途径，进而探知微生物在结核微环境中的适应机制。本项目的实施有助于探知深海结核微环境中复杂微生物体系的生命活动特征，深化认识微生物在金属环境中的作用，为生物环境修复等应用基础研究提供资源储备。

深海多金属结核和富钴结核是具有重要战略价值的海底金属矿产资源。结核内部形成相对独立的微环境，是研究深海微生物金属环境适应机制的理想材料。以往受样品采集和研究技术手段限制，对结核内部微生物种类和功能了解不足。项目在已采集深海结核、积累结核内部微生物多样性数据，具备研究方法和技术平台的基础上，以结核外周沉积物和结核内部微生物为研究对象，在微生物多样性、生态功能、表型特征分子机制方面取得一系列新认识。主要工作如下：（1）分析结核内部和外周沉积物微生物多样性，发现根瘤菌与锰、镍、铜、锌等均具有很高的相关性；采薇海山顶部和底部沉积物中细菌种群结构和多样性具有明显差异，海山周围独特的反气旋式环流可能是导致微生物群落在同一深度呈现均质性的主要因素。（2）通过深度宏基因组测序、从头组装和分箱，研究栖息在富含金属的铁锰结核沉积物中的微生物进行了全面的宏基因组分析，重建了179个高质量的宏基因组组装基因组（MAG），隶属于21个细菌门和1个古细菌门，在金属抗性和转化途径、微生物高度多样化的能量获取机制、以及独特环境中介导元素循环的重要微生物类群方面获得了新的认识。（3）获得东太平洋多金属结核区和西太海山区重金属耐受菌株581株，铁还原微生物1株，异养锰氧化微生物92株；已报道新物种1个，拟报道新科1个，新属1个，新物种2个。（4）发现2株菌株具有介导生物矿化的功能，通过基因组研究和生理特征研究，推测菌株可能是通过GCV系统与CA酶的协同作用生成碳酸锰。项目执行期间，发表SCI论文9篇，获浙江省海洋科学技术进步二等奖和三等奖各1次，项目主持人担任国际SCI期刊International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology（译名《国际系统与进化微生物学》）的副编辑，项目成员2人次晋升高级职称，1人获得博士学位，1人获得硕士学位。