Den globala havsbotten är rik på polymetalliska knölresurser. Eftersom de är rika på en mängd olika strategiska metaller anses de vara den typ av havsbottenavlagringar med störst potential för utveckling idag. Dessa resurser finns huvudsakligen i avgrundsslätterna på vattendjup på 4,000 till 6,000 meter, i allmänhet långt från land och med mycket låg produktivitet. Under det senaste halvseklet har vetenskapliga organisationer och team från många länder och regioner genomfört konsekvensundersökningar och experimentella studier för att övervaka och bedöma påverkan och återhämtning av bentiska organismer, särskilt makrobentiska organismer, som svar på de miljöskador som kan orsakas av djuphavsbrytning. Däremot utmanas mikroorganismer som lever i miljön av metallknölavlagringar av extrema miljöförhållanden, såsom tungmetaller, oligotrofi, högt tryck och låg temperatur, och få studier har utförts på mekanismerna för mikrobiell anpassning till miljön av metallknölavlagringar , såväl som på deras mångfald och metaboliska kapacitet.
Miljöpåverkan från djuphavsbrytning är ett ämne av stor oro. För närvarande främjar International Seabot Authority (ISA) aktivt regionala miljöförvaltningsplaner (REMP). Det första REMPs-området är området Clarion-Clipperton Fracture Zone (CC Zone) i östra Stilla havet, som syftar till att skydda biologisk mångfald och ekosystemfunktioner i målområdet för djuphavsknölbrytning i Stilla havet. Institutet för oceanografi vid den kinesiska vetenskapsakademin (IOCS), i samarbete med andra institutet för oceanografi vid ministeriet för naturresurser (MNR) och Huazhong Agricultural University (HUAU), studerade systematiskt metabolismkapaciteten hos mikroorganismer i manganknölsediment i CCZ. Nyligen publicerades relevanta forskningsresultat i Microbiome. Studien rekonstruerade 179 högkvalitativa genom (MAG) och kategoriserade dem i 21 bakteriefyla och en arkeal phylum genom djup makrogenomsekvensering av manganknölar sedimentprover. Studien löste de funktionella generna hos MAG och presenterade bevis för olika mikroorganismers roll i metall-, kol-, kväve- och svavelcyklerna. Studien kan ge viktigt vetenskapligt stöd för Internationella havsbottenmyndighetens regionala miljöförvaltningsplan och nationella resursutveckling av polymetalliska knölar och miljösanering.
Studien visar att heterotrofa och kemoenergetiska autotrofa mikroorganismer har utvecklat mekanismer för resistens mot tungmetaller i dessa metallrika sedimentära miljöer, främst genom enzymkatalyserad metallredox (mangan, krom och kvicksilver), membrantransportörproteinmedierad metalltransport (bly). ), och synergistiska interaktioner av båda dessa (arsenik och koppar). Järn och mangan är de två vanligaste metallerna i sedimentmiljöer; järn kan användas av mikroorganismer som en extracellulär elektronacceptor i elektrontransportkedjan i form av Fe(III), och manganoxiderande mikroorganismer oxiderar mangan(II) huvudsakligen till mangan(III) eller mangan(IV), med mindre transport av manganjoner. Detta understryker vikten av denna oxidationsreaktion för mikroorganismer för att upprätthålla överlevnad i energibegränsade system. Fem kemoenergetiska autotrofa mikroorganismer tillhörande phylum Thaumarchaeota eller phylum Nitrospirota visade sig ha potentiell manganoxiderande förmåga. Och upptäckten av ett stort antal metalloxidoreduktasgener, inklusive Mn(II)-oxidas, Fe(III)-reduktas, Cr(IV)-reduktas, As(III)-oxidas och Hg(II)-reduktas, utgör en viktig genetisk resurs för potentiella tillämpningar inom biosanering av tungmetaller.
Man fann att mikroorganismer förutom syre och Fe(III) huvudsakligen använder nitrat som elektronacceptor för att erhålla energi genom oxidation av metall- och svavelföreningar. Nitrat reduceras mestadels till kväveoxid och släpps ut i havsvatten. Dessutom visade mikroorganismer med olika karbohydraser (CAZymes) inte högre gemenskapsöverflöd. Funktionsanalys av de dominerande mikroorganismerna i studien visade att de bar på en högre andel funktionella gener relaterade till metall-, kväve- och svavelmetabolism, medan CAZymer var lägre. Således är utnyttjandet av oorganiska näringsämnen (snarare än organisk näringsämnesmetabolism) för energi genom redoxreaktioner den huvudsakliga adaptiva strategin för mikroorganismer för att bibehålla sin överlevnad i manganknölsediment. Baserat på ovanstående studie föreslog forskarna en modell av mikrobiell ekologi i sediment av manganknölområden.
Forskningsarbetet stöddes av Kinas nationella naturvetenskapliga stiftelse och den kinesiska vetenskapsakademins strategiska pilotprogram för vetenskap och teknik.
Metaboliska funktioner av dominerande mikrobiella taxa i sediment från djuphavsmanganknölprovinsen
