近日,中科院海洋所劉建國(guó)研究員課題組在深海微生物主導(dǎo)參與錳結(jié)核成礦研究上取得重要突破,相關(guān)結(jié)果以2篇研究論文分別在國(guó)際TOP學(xué)術(shù)期刊Chemosphere(IF=8.94)和Ecotoxicology and Environmental Safety(IF=7.129)上發(fā)表,該成果詮釋了微生物代謝在錳離子富集及成礦中的作用機(jī)制。
錳結(jié)殼廣泛分布于2000米以深的海底,在密集區(qū)每平米可達(dá)到百公斤以上,全球海底總儲(chǔ)量估計(jì)約3萬(wàn)億噸以上,是重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源。海底錳結(jié)殼通常生長(zhǎng)于海底堅(jiān)硬的海山或基巖上,其成因可能與深海特殊地質(zhì)環(huán)境的物理化學(xué)條件或生物過(guò)程有關(guān),但至今尚未有一致的觀點(diǎn)。除了海底地質(zhì)環(huán)境和物理化學(xué)條件以外,微生物礦化作用也非常值得關(guān)注。一些微生物的成礦效率可達(dá)物理化學(xué)作用的105倍以上,在錳結(jié)殼形成過(guò)程中可能發(fā)揮著重要作用。
研究團(tuán)隊(duì)從“科學(xué)”號(hào)科考船采集的深度為~2500 m西太平洋海底獲得的錳結(jié)殼樣品中,首先分離獲得一株耐高濃度錳離子的深海菌株寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas sp. MNB17),進(jìn)而利用該菌株開(kāi)展模式實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:?jiǎn)伟?/span>MNB17直接參與錳元素的富集與成礦過(guò)程,并證實(shí)其催化成礦類型與錳離子濃度有關(guān),即錳離子濃度的高低決定著不溶性的碳酸錳和氧化錳形成。其中,在相對(duì)低濃度中,菌株MNB17可形成以菱錳礦(JCPDS#44–1472)為主的礦物;而在相對(duì)高濃度中,則形成以氧化錳礦(JCPDS#81–2261)為主的礦物。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)代謝組學(xué)詮釋了菌株在不同錳離子濃度下如何調(diào)控形成不同錳礦的過(guò)程。結(jié)果表明:在不同錳濃度下該菌株的能量代謝存在明顯差異。其中,在相對(duì)低濃度錳離子溶液中,菌株MNB17有氧及無(wú)氧呼吸旺盛,同時(shí)脂肪酸發(fā)生降解,可為菌株代謝提供充足的能量,進(jìn)行氨化作用形成菱錳礦;而在相對(duì)高濃度錳離子溶液中,菌株有氧及無(wú)氧呼吸下降,導(dǎo)致氨化作用減弱,負(fù)責(zé)錳離子氧化的多銅氧化酶的表達(dá)顯著提高,因此氧化錳礦占比相應(yīng)增加。此外,研究人員還通過(guò)向高濃度錳離子溶液中添加外源有氧呼吸底物,成功地將氧化錳礦轉(zhuǎn)變?yōu)榱忮i礦,驗(yàn)證菌株MNB17可通過(guò)調(diào)節(jié)能量代謝,參與不同濃度錳離子中的成礦過(guò)程,并決定最終成礦類型。
研究團(tuán)隊(duì)的另一結(jié)果還發(fā)現(xiàn):高濃度錳離子條件下,菌株胞內(nèi)ROS生成明顯增加,ROS也參與催化氧化錳礦的形成。轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示:在錳離子培養(yǎng)條件下,菌株MNB17的組氨酸合成通路基因顯著上調(diào)。組氨酸是α-酮戊二酸的前體,α-酮戊二酸通過(guò)非酶催化反應(yīng)消除胞內(nèi)過(guò)剩的ROS,減少氧化錳礦的生成。在此基礎(chǔ)上,研究人員通過(guò)向高濃度錳離子溶液中外源添加組氨酸,成功地將氧化錳礦轉(zhuǎn)變?yōu)榱忮i礦,進(jìn)而也驗(yàn)證了組氨酸代謝也參與了菌株MNB17錳成礦形式。
上述成果為微生物參與錳礦形成過(guò)程提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù),并詮釋了其作用機(jī)制。我所實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室藻類與藻類生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)的楊娜副研究員為上述論文的通訊作者,深海極端環(huán)境與生命過(guò)程中心張國(guó)良研究員在研究中做出了突出貢獻(xiàn)。研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)B專項(xiàng)和青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助。

圖1 能量代謝決定菌株MNB17的成礦類型

圖2 組氨酸代謝參與菌株MNB17的成礦類型
論文鏈接:
Fuhang Song, Guoliang Zhang, Xiuli Xu, Steven W. Polyak, Kai Zhang, Honghua Li, Na Yang*. 2022. Role of intracellular energy metabolism in Mn(Ⅱ) removal by the novel bacterium Stenotrophomonas sp. MNB17. Chemosphere, 308,136435.
https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136435
Fuhang Song, Guoliang Zhang, Honghua Li, Linlin Ma, Na Yang*. 2022. Comparative transcriptomic analysis of Stenotrophomonas sp. MNB17 revealed mechanisms of manganese tolerance at different concentrations and the role of histidine biosynthesis in manganese removal. Ecotoxicology and Environmental Safety, 244, 114056.
https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114056
(本文來(lái)源于海洋所官網(wǎng),“科學(xué)”號(hào)信息員封婧改編提供)