Hydrocarbon-related microbial processes in the deep sediments of the Eastern Mediterranean Levantine Basin

東地中海黎凡特盆地深部沉積物中與碳?xì)浠衔锵嚓P(guān)的微生物過程

來源：FEMS Microbiol Ecol 87 (2014) 780–796

 

1. 摘要內(nèi)容

論文摘要指出，海洋沉積物中含有大量有機質(zhì)和/或冷烴滲漏，可形成微生物活動的“熱點”。在2011年EV Nautilus的考察期間，研究者對東地中海黎凡特盆地兩個碳?xì)浠衔锔患h(huán)境的沉積物-水界面下的微生物種群進(jìn)行了多學(xué)科研究。兩個采樣點約1000米深：一是受甲烷滲漏驅(qū)動的Palmachim擾動帶趾部沉積物，另一是Acre近海一處富硫化物和甲烷的缺氧沉積物斑塊。研究以1厘米分辨率描述了沉積物頂部5厘米內(nèi)的微生物種群組成，并同時測量了甲烷和硫酸鹽濃度及其同位素組成（δ13CCH?, δ1?OSO?, δ3?SSO?）。地球化學(xué)和微生物學(xué)結(jié)果表明存在厭氧甲烷氧化與細(xì)菌硫酸鹽還原的耦合。研究顯示，盡管由于烴源潛在差異導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)和代謝偏好不同，但兩個地點都存在復(fù)雜的甲烷和硫代謝微生物種群。

2. 研究目的

本研究的主要目的是利用多學(xué)科地球化學(xué)-微生物學(xué)方法，描述東地中海黎凡特盆地兩個深水碳?xì)浠衔餄B漏/富集地點（Palmachim和Acre）沉積物-水界面附近的早期成巖過程，特別關(guān)注驅(qū)動碳和硫循環(huán)的微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能。

3. 研究思路

研究采用“點位對比-高分辨率采樣-多參數(shù)關(guān)聯(lián)”的思路：

 

點位選擇：選擇兩個對比鮮明的約1000米深海點：Palmachim（活躍甲烷滲漏，有碳酸鹽結(jié)殼和氣泡）和Acre（缺氧沉積物斑塊，無可見滲漏），并設(shè)置一個附近對照點。

樣品采集與處理：使用遙控潛水器采集沉積物巖心。用于微生物分析的巖心立即按1厘米分層切片并冷凍。

多參數(shù)綜合分析：

 

地球化學(xué)分析：測量沉積物孔隙水中硫酸鹽、甲烷、總硫化物、pH、溶解無機碳濃度，以及甲烷的δ13C、硫酸鹽的δ3?S和δ1?O、DIC的δ13C。

微生物群落分析：對沉積物分層樣品進(jìn)行16S rRNA基因的454焦磷酸測序，分析古菌和細(xì)菌的群落組成，重點關(guān)注與甲烷和硫循環(huán)相關(guān)的類群。

 

關(guān)聯(lián)與統(tǒng)計：將微生物群落數(shù)據(jù)（如特定類群的相對豐度）與地球化學(xué)參數(shù)（如硫化物濃度、同位素值）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析（如Pearson相關(guān)性），以推斷微生物功能及其與環(huán)境的關(guān)系。

 

4. 測量的數(shù)據(jù)、意義及來源

研究測量了以下幾方面的數(shù)據(jù)：

 

孔隙水地球化學(xué)深度剖面數(shù)據(jù)：包括硫酸鹽、甲烷、總硫化物、pH、溶解無機碳的濃度隨沉積物深度（0-10厘米或更深）的變化。其研究意義在于揭示了兩個滲漏點的基本化學(xué)梯度，如硫酸鹽消耗、甲烷積累、硫化物生成等，為微生物活動提供了地球化學(xué)背景。例如，數(shù)據(jù)顯示Acre點硫化物濃度極高，硫酸鹽消耗更快。這些剖面展示在文中的圖2a, b, c。

同位素數(shù)據(jù)：包括甲烷的δ13C、硫酸鹽的δ3?S和δ1?O、以及DIC的δ13C的深度剖面。其研究意義在于提供了識別生物地球化學(xué)過程的關(guān)鍵指紋。甲烷δ13C值偏輕指示生物來源；硫酸鹽δ3?S和δ1?O的同步升高并呈線性關(guān)系是細(xì)菌硫酸鹽還原的典型特征；DIC的δ13C急劇偏輕指向甲烷氧化是其主要來源。這些數(shù)據(jù)展示在圖2e, f, g, h。

 

 

微生物群落組成數(shù)據(jù)：通過測序得到的古菌和細(xì)菌各類群的相對豐度，按沉積物深度分層展示。其研究意義在于直接揭示了執(zhí)行碳硫循環(huán)的關(guān)鍵微生物參與者及其垂向分布。例如，在Ace點，ANME-3和潛在ANME A類群占主導(dǎo)；在Palmachim點，ANME-2c和未鑒定的古菌類群A占主導(dǎo)。硫酸鹽還原菌的組成也不同。古菌群落數(shù)據(jù)見圖3，細(xì)菌群落數(shù)據(jù)見圖4。

 

 

關(guān)鍵類群相關(guān)性數(shù)據(jù)：通過Pearson相關(guān)性分析得到的特定古菌類群（如ANME-2c, ANME-3）與特定硫酸鹽還原菌類群相對豐度之間的相關(guān)系數(shù)。其研究意義在于為推測微生物之間的共生關(guān)系（如ANME-SRB共營養(yǎng)體）提供了統(tǒng)計證據(jù)。數(shù)據(jù)顯示ANME-2c豐度與“Calyptogena蛤場SEEP-SRB”豐度顯著正相關(guān)。這些數(shù)據(jù)匯總于文中的表1。

 

5. 研究結(jié)論

本研究得出了以下核心結(jié)論：

 

存在活躍的AOM-SRB耦合過程：兩個碳?xì)浠衔锔患c均存在厭氧甲烷氧化與硫酸鹽還原的耦合，這是消耗向上遷移甲烷的關(guān)鍵機制。

微生物群落結(jié)構(gòu)受烴源和TOC控制：總有機碳含量和烴源性質(zhì)是控制兩地微生物群落結(jié)構(gòu)差異的主要因素。Ace點TOC更高，群落以ANME-3及相關(guān)SRB為主；Palmachim點TOC較低，群落以ANME-2c和未鑒定古菌類群A為主，SRB組合也不同。

奇古菌在氮循環(huán)中扮演關(guān)鍵角色：研究識別了奇古菌的四個主要類群，它們在含烴和“正常”沉積物中都很豐富，可能在氮循環(huán)中起重要作用，但其在富烴沉積物中的具體功能尚不明確。

同位素地球化學(xué)指示高硫酸鹽還原速率：硫酸鹽的δ1?O與δ3?S之間存在線性關(guān)系，且斜率較為平緩，指示了較高的細(xì)菌硫酸鹽還原速率，這與滲漏環(huán)境的特征一致。

 

揭示了深部生物圈的復(fù)雜性：研究提供了深海沉積物微生物群落的高分辨率快照，表明即使在短空間梯度上，群落也存在高度異質(zhì)性，共同驅(qū)動著沉積物-水界面附近的C、N、S等元素循環(huán)。

 

6. 詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)有什么研究意義

在本研究中，使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的H2S-100微傳感器測量的總硫化物數(shù)據(jù)，對于建立硫循環(huán)與微生物活動之間的直接聯(lián)系、以及定量評估硫酸鹽還原過程強度具有重要的基礎(chǔ)性研究意義：

 

提供了硫酸鹽還原過程強度的直接定量指標(biāo)：BSR的終產(chǎn)物之一就是硫化物（H2S, HS-等）。Unisense微傳感器測量的孔隙水總硫化物濃度，是原位、定量反映硫酸鹽還原過程強度的最直接指標(biāo)之一。數(shù)據(jù)顯示，在Ace點，硫化物濃度在沉積物-水界面附近就高達(dá)~9 mmol L?1，在8厘米深處達(dá)到峰值~29.3 mmol L?1（圖2a），這比對照點高出了三個數(shù)量級。這些極高的硫化物濃度數(shù)據(jù)，與硫酸鹽的快速消耗、硫酸鹽同位素的顯著分餾（圖2e）以及SRB的高豐度（圖4）相互印證，共同構(gòu)成了證明該點存在極其活躍的硫酸鹽還原作用的完整證據(jù)鏈。沒有可靠的硫化物定量數(shù)據(jù)，對BSR速率的評估將缺少一個關(guān)鍵的約束。

刻畫了硫化物生成的微尺度空間格局：雖然論文中呈現(xiàn)的是分層取樣的濃度剖面，但使用Unisense微傳感器具備進(jìn)行高分辨率（亞毫米）微剖面測量的能力。這種方法能夠揭示硫化物在沉積物表層氧化還原過渡帶的精確分布。在本研究的背景下，高硫化物濃度從界面附近就開始積累（Ace點），表明活躍的SRB活動始于沉積物最表層，這與其缺氧的、富含烴類的環(huán)境特征相符。這些數(shù)據(jù)有助于界定SRB和硫氧化菌的生態(tài)位。

為理解微生物群落結(jié)構(gòu)提供了環(huán)境驅(qū)動因子：極高的硫化物環(huán)境對微生物群落具有強烈的選擇壓力。Ace點觀測到的以ANME-3和Desulfobacter相關(guān)SRB為主導(dǎo)的群落結(jié)構(gòu)，可能正是對這種高硫化物、高TOC環(huán)境的適應(yīng)。Unisense測量的硫化物數(shù)據(jù)定量地定義了這一獨特的化學(xué)棲息地。同時，硫化物也是epsilon-變形菌綱等化學(xué)合成硫氧化細(xì)菌的能源。該點在表層富集的Sulfurovum、Sulfurimonas和Arcobacter等（圖4），其豐度與硫化物的供應(yīng)密切相關(guān)。因此，硫化物數(shù)據(jù)是連接地球化學(xué)條件（高BSR速率）與特定功能微生物類群生態(tài)分布的關(guān)鍵橋梁。

 

支撐了AOM與BSR耦合的推斷：在冷泉系統(tǒng)中，AOM常與BSR耦合，產(chǎn)生硫化物和堿度。Ace點觀測到的高硫化物峰值與甲烷消耗（同位素證據(jù)指示AOM）、以及ANME和SRB類群豐度的共變（表1相關(guān)性）是匹配的。Unisense提供的硫化物數(shù)據(jù)是這個耦合過程的必要產(chǎn)物證據(jù)。它表明，甲烷的厭氧氧化不僅消耗了硫酸鹽，還實實在在地產(chǎn)生了大量的還原性硫物種。

 

總結(jié)：在本研究中，Unisense H2S微傳感器提供的數(shù)據(jù)，雖然不像氧微剖面那樣展示精美的梯度曲線，但其定量化的硫化物濃度信息是硫生物地球化學(xué)循環(huán)研究的基石。它將“活躍的硫酸鹽還原”這一過程從基因豐度、同位素信號等間接證據(jù)，轉(zhuǎn)化為可直接測量的產(chǎn)物濃度，從而強有力地證實了研究點位BSR過程的極端強度。這些數(shù)據(jù)是理解該生態(tài)系統(tǒng)高生產(chǎn)力、解釋特定微生物類群（如硫氧化菌、ANME-SRB共生體）優(yōu)勢分布、以及完整描繪碳-硫耦合循環(huán)圖像不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。