印度洋中脊热液区沉积物放线菌在铁还原耦合有机质降解中的作用

The iron redox cycle in nature strongly influences the C, N, and S cycles. Microbial dissimilatory Fe(III) reduction is the main way of iron reduction in nature. So far, microbial iron reduction has been reported to occur only in the anaerobic or aerobic but acidic environment. The phlym Actinobacteria is one of the main microbial phyla in marine, with abundant taxonomic and functional diversity. We have recently discovered that actinobacteria are enriched in hydrothermal field sediments of the Indian Ridge. The actinobacterial isolates have good activity in the degradation of refractory organics and show Fe(III) reduction capacity under aerobic and pH neutral conditions. Based on these findings, in this project, we aim to further clarify the relationships between actinobacterial groups and iron reduction functional genes, organic matter degradation genes, and the environmental factors in the Indian Ridge hydrothermal field surface sediments, and to find the interactions between actinobacteria and other microbes during the iron reduction and organic matter degradation processes. We will also isolate representative actinobacteria with both the functions of iron reduction and organic matter degradation and characterize their genomes. Finally, by means of simulation incubation and genetic operation, we will verify the coupling relationship between actinobacterial iron reduction and organic matter degradation and suggest the possible mechanisms. The expected results of this project will provide new insights into the mechanisms underlying carbon cycling on the earth driven by microorganisms in the hydrosphere.

自然界中铁的氧化还原循环强烈影响C、N、S循环，微生物介导的异化铁还原是自然界中铁还原的主要途径。迄今报道的微生物异化铁还原都发生在厌氧或有氧、酸性环境中。放线菌是海洋微生物的主要类群之一，具有丰富的物种和功能多样性。我们前期发现印度洋中脊热液沉积物富集放线菌，深海放线菌分离株具有良好的降解复杂有机质的能力，并在有氧、pH中性条件下具有三价铁还原还原能力。在此基础上，本项目将解析印度洋中脊热液区表层沉积物中放线菌类群与铁还原、有机质降解功能基因及环境因子的相关性，以及放线菌在参与铁还原和有机质降解过程中与其他微生物之间的互作关系；获得兼具铁还原和有机质降解功能的代表性放线菌（及其互作菌株），认识相关功能的遗传基础；通过模拟培养和遗传操作，验证放线菌铁还原和有机质降解之间的耦合关系和贡献率，并提出可能的机制。为阐明水圈微生物驱动碳循环的机制提供新认识。

自然界中铁的氧化还原循环强烈影响C、N、S循环，而微生物介导的异化铁还原是自然界中铁还原的主要途径。已报道的微生物异化铁还原都发生在厌氧或有氧、酸性环境中，在有氧和pH中性条件下，如深海中，是否也具有这一过程并未可知。放线菌多为pH中性、需氧细菌，是海洋微生物的主要类群之一，但深海生态系统中放线菌的生态功能仍不清楚。.我们从印度洋洋脊的表层沉积物样品中发现了78个微生物门类，微生物群落结构受到明显区分热液和非热液两种生境类型的S、Fe和P的影响，Actinobacteria、Bacteroidetes和Proteobacteria是热液区富集的优势门。放线菌门 (Actinobacteria) 的相对多度位居第四，占各样品序列数的1.8−15.4%，可细分为100多个属。放线菌的丰度与Fe显著相关，而放线菌的群落组成主要与样品C:N显著相关。从热液区沉积物中分离获得134株放线菌，分属于5个目、9个科、11个属。大多数放线菌分离株具有降解果胶、几丁质、烃类等复杂有机质的能力，能够在4°C低温条件下生长，耐受40 MPa的高压。分布于9个属的64株放线菌能够还原Fe3+，分布于7个属的27株放线菌能够还原三价铁矿。培养体系中的Fe2+浓度和pH值之间没有显著相关性。放线菌在有氧条件下比在缺氧条件下还原了更多的针铁矿，这可能与菌株的生长状况有关。菌株与针铁矿共培养的体系中产生了次生蓝铁矿，进一步证明了放线菌还原三价铁矿的能力。并且在部分菌株和矿物之间形成了类似 “纳米导线”的细丝状结构，可能有助于电子传递。放线菌细胞及代谢产物在铁还原中发挥了关键作用。放线菌基因组中普遍缺失已报道的胞外铁还原基因簇，但具有丰富多样的次级代谢产物合成基因簇。本研究所获得的还原铁矿的放线菌均能合成铁载体和色素类次级代谢产物，可能作为螯合剂和电子穿梭体，在放线菌胞外铁还原中起到重要作用。结果提示了可能广泛存在的非典型有氧微生物铁还原。.