Microbial communities associated with benthic faunal assemblages at cold seep sediments of the Sonora Margin, Guaymas Basin

瓜伊馬斯盆地索諾拉邊緣冷泉沉積物中與底棲動物群落組合相關的微生物群落

來源：Front. Mar. Sci. 2:53.

 

一、摘要內容

摘要指出，索諾拉邊緣冷泉的海底呈現由不同底棲動物群落組合和微生物墊組成的鑲嵌分布模式。研究采用四種互補方法（16S rRNA基因454焦磷酸測序、定量PCR、熒光原位雜交和地球化學分析）調查了所有主要生境。研究發現，被不同表面群落占據的沉積物具有獨特的孔隙水地球化學特征，并與不同的微生物群落相關聯。微生物群落和地球化學調查共同表明，孔隙水甲烷濃度在微生物群落結構中起重要作用，并進而影響表面定殖者的建立；反之，表面定殖者的存在和活動也通過改變能量來源的可利用性來影響下層微生物群落。

二、研究目的

本研究的主要目的是：

 

表征和比較棲息在這些冷泉沉積物中的微生物群落。

評估生物地球化學因素如何塑造微生物群落結構。

 

更好地理解沉積物微生物群落及其潛在代謝如何影響表面定殖者的分布，從而影響冷泉化能合成生物的多樣性模式；反之，這些表面化能合成生物又如何影響沉積物微生物群落。

 

三、研究思路

研究采用多方法結合的空間比較思路：

 

選址與采樣：在索諾拉邊緣選取四個具有不同表面群落特征的冷泉站點（以 Vesicomyidae 貝類為主的Ayala和Vasconcelos BIG13站點、以 Siboglinidae 管蠕蟲為主的Juarez站點、以白色微生物墊及周邊宏動物群為主的Vasconcelos BIG18站點）和一個無滲漏活動的參照站點進行沉積物取樣。

多組學分析：對沉積物樣品進行微生物群落結構（ARISA指紋分析、16S rRNA基因 pyrosequencing）、特定類群定量（qPCR）和形態觀察（FISH）。

地球化學分析：同步測量沉積物孔隙水中的甲烷、硫化物、硫酸鹽濃度和氧氣剖面。

 

數據整合：將微生物群落數據與地球化學參數及表面生境類型進行關聯分析，揭示其相互作用關系。

 

四、測量數據、研究意義及來源

研究測量了多類數據，其意義和圖表來源如下：

 

孔隙水地球化學數據（甲烷、硫化物、硫酸鹽濃度）：

 

數據內容：揭示了不同生境下流體通量（特別是甲烷）的差異。微生物墊生境甲烷濃度最高（近1.2 mM），宏動物群生境次之，巨型動物生境低兩個數量級；硫化物僅在微生物墊和宏動物群生境中檢測到高濃度。

研究意義：直接證明了孔隙水化學環境的空間異質性，是驅動不同微生物群落結構和表面生境分異的關鍵因素。高甲烷和硫化物環境支持高生物量的厭氧甲烷氧化和硫酸鹽還原過程。

 

數據來源：這些數據來自圖2（不同站點孔隙水甲烷、硫化物、硫酸鹽濃度隨深度變化的剖面圖）。

 

微生物群落結構數據（古菌和細菌）：

 

數據內容：通過Pyrosequencing揭示了不同生境下微生物組成的顯著差異。例如，微生物墊生境以ANME-2和硫酸鹽還原菌為優勢類群；巨型動物生境則以海洋底棲組D（MBG-D）、Chloroflexi 和絲狀Gamma-/Deltaproteobacteria為特征。

研究意義：證實了冷泉生態系統中微生物群落與特定生境類型（反映不同的地球化學條件）存在緊密耦合，為理解化能合成生態系統的能量流動和元素循環提供了微生物學基礎。

 

 

數據來源：群落結構的整體差異展示在圖3A（古菌NMDS排序圖）和圖4A（細菌NMDS排序圖）；各類群的相對豐度展示在圖S2（古菌）和圖S3（細菌）以及表S5中。

 

特定微生物類群的絕對定量數據：

 

數據內容：通過qPCR定量了ANME-1, ANME-2, ANME-3, MBG-D, DSS, DBB, JS-1等類群的16S rRNA基因拷貝數（個/克沉積物）。

研究意義：不僅驗證了Pyrosequencing的相對豐度結果，更重要的是量化了關鍵功能類群（如厭氧甲烷氧化菌、硫酸鹽還原菌）的生物量及其隨深度的變化，直接反映了其潛在代謝活動的強度。

 

數據來源：這些定量結果集中展示在圖5（各微生物類群在不同站點和深度的絕對豐度圖）。

 

微生物形態和空間分布數據：

 

數據內容：通過FISH顯微鏡觀察，直觀展示了微生物細胞（如ANME-2/硫酸鹽還原菌的共生聚集體、絲狀細菌）的形態、大小及其在沉積物中的空間分布。

研究意義：提供了微生物在自然環境中真實存在的視覺證據，證實了關鍵代謝過程（如AOM）的空間位置，并揭示了表面生物活動（如生物擾動）對微生物空間分布的影響。

 

數據來源：代表性的FISH圖像展示在圖6（不同站點和深度的微生物熒光顯微照片）。

 

氧氣剖面數據（使用丹麥Unisense電極測量）：

 

數據內容：測量了沉積物-水界面氧氣的滲透深度，所有站點的氧氣滲透深度范圍在2.2至3.6毫米之間。

研究意義：界定了沉積物中有氧過程的邊界，為理解氧化還原分層（好氧/厭氧界面）提供了關鍵參數。穩定的淺層氧化層說明深層厭氧過程（如AOM）產生的還原性物質（如硫化物）在到達表層前已被消耗或氧化。

 

數據來源：該方法在材料與方法部分“孔隙水分析”段落中描述，測量結果在“地球化學特征”部分以文本形式報告。

 

五、結論

研究得出以下核心結論：

 

微生物群落與生境特異性：索諾拉邊緣冷泉沉積物中的微生物群落具有高度的生境特異性，其結構主要受孔隙水地球化學條件（尤其是甲烷通量）的控制。

流體通量的主導作用：高甲烷通量支持了以ANME和硫酸鹽還原菌為核心的高生物量群落，并導致有毒硫化物積累，從而限制了巨型動物的定殖，僅適合微生物墊和耐受性強的宏動物群。

表面生物的反饋作用：表面定殖的化能合成生物（如管蠕蟲和貝類）通過生物擾動、生物灌溉和排泄物等途徑，改變了沉積物的物理結構和化學梯度，從而反過來影響了下層微生物群落的組成和分布（如將AOM群落推向更深的沉積層）。

 

關鍵微生物類群的生態角色：研究強調了MBG-D、Chloroflexi等類群在巨型動物生境中的重要性，推測它們可能利用動物排泄的有機物進行異養代謝，揭示了動物與微生物之間潛在的營養聯系。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義解讀

使用丹麥Unisense公司生產的微電極（特別是OX 100氧氣微傳感器）測量的氧氣剖面數據，雖然數值簡單（所有站點氧氣滲透深度為2.2-3.6 mm），但其研究意義重大且貫穿全文：

 

定義了關鍵的生物地球化學邊界：氧氣滲透深度精確地劃定了沉積物中有氧過程和厭氧過程的分界線。這個界面的深度和穩定性是理解整個沉積物氧化還原序列的起點。所有站點都具有較淺且相似的氧氣滲透深度，表明盡管深層地球化學過程差異巨大，但表層的水-沉積物交換和生物地球化學過程維持了一個相對穩定的氧化表層。

支持了對硫化物分布和表面生境分布的解釋：在微生物墊站點，盡管深層產生了極高濃度的硫化物，但Unisense電極數據證實了氧氣滲透深度的存在。這意味著從深層上涌的硫化物在到達沉積物表面附近時，會與從上覆水體擴散下來的氧氣相遇，從而被化能合成的硫氧化細菌（如微生物墊中的Beggiatoa）迅速氧化。這一過程解釋了為什么在高硫化物產出的情況下，表層仍能形成需氧的微生物墊，而不會使整個沉積物剖面被硫化物充斥。反之，在巨型動物站點，較低的硫化物產出和動物的生物灌溉，共同維持了孔隙水中硫化度的不可檢測水平，為這些動物創造了生存條件。

為微生物群落分布提供了環境背景：氧氣剖面的測量為解釋微生物群落的空間分布提供了關鍵環境背景。例如，FISH觀察到的ANME（嚴格厭氧）聚集體主要存在于厘米級的深度，而絲狀、可能兼性好氧的Gammaproteobacteria則在更淺的深度被發現。Unisense的數據為這種垂直分帶提供了直接的物化證據，將微生物的分布與明確的氧化還原梯度聯系起來。

 

方法學上的可靠性與高分辨率：Unisense微電極系統以其高空間分辨率（亞毫米級）和快速響應時間而聞名。使用這種設備確保了氧氣剖面數據的準確性，避免了傳統切片法可能帶來的擾動和分辨率不足的問題。這為整個研究提供了一個可靠的環境背景參數，增強了其他微生物和地球化學數據解讀的可信度。

 

綜上所述，Unisense電極測量的氧氣數據雖簡潔，卻是連接流體通量、微生物活動、硫化物循環和宏觀生境格局的一個關鍵樞紐參數，為理解這個復雜生態系統中的能量流動和物質循環提供了不可或缺的物理化學框架。