冲绳海槽热液区环境微生物及共生微生物研究

发布时间：2020-03-04 01:03

【摘要】：微生物多样性是微生物生态学研究的重点,了解一个地区的微生物多样性及其群落结构,有助于我们了解微生物在此地区发挥的功能作用。深海热液被认为是地球上环境最为恶劣的地区之一,但却存在着丰富多样的微生物,它们都是什么,又发挥着什么样的作用?这些都令科学家们心驰神往。本文利用2014年“科学号”冲绳海槽热液航次获得的沉积物及大型生物样品,分别采用培养方法和非培养方法对其中的微生物多样性进行了研究。在此基础上,我们对沉积物中的可培养微生物生物活性进行了检测,并对发现的两株潜在新菌进行了多相分类学研究。除此之外,借助于高通量测序技术和克隆文库技术,探究了深海热液大型生物共生微生物的构成及碳代谢机制。采用多种培养方式,我们从冲绳海槽两个热液区沉积物中分离细菌213株,其中128株来自伊平屋脊热液区,85株来自伊平屋北热液区。通过16S rDNA鉴定,这些菌分布在4个门,5个纲,12个目,22个科,33个属,96个种。γ-变形菌纲在两个热液区均占主导地位,共有146株,其次是芽孢杆菌纲,有53株;其它的包括α-变形菌纲9株和黄杆菌纲3株;放线菌纲有2株,只在伊平屋脊热液区发现。我们分析这些分离株的蛋白酶、脂肪酶及抗菌活性,发现44株至少表现出一种活性/抗性。其中来自于9个属的25株菌表现出胞外蛋白酶活性,来自11个属的21株菌表现出胞外脂肪酶活性,来自8个属的11株菌具有抗菌活性。这些结果表明热液细菌具有潜在的工农业和医药应用价值。我们自环境微生物中发现了两株潜在新菌,并对其进行了多相分类学研究。其中一个菌株S6为革兰氏阳性杆菌,属于Domibacillus属,与之16S rDNA序列相似度最高的模式菌株是D.robiginosus(98.6%),其次是D.indicus(97.6%),D.enclensis(97.6%)和D.tundrae(97.6%)。DNA-DNA杂交分析表明,菌株S6与相近的模式菌株的DNA-DNA杂交值均小于70%。进一步研究发现菌株S6与相似模式菌株在细菌形态、生理生化等表型特征上存在一定差别。这些结果表明菌株S6属于Domibacillus属的一个新种,命名为Domibacillus iocasae sp.nov,该种的模式菌株为S6(=DSM 29979=CCTCC AB 2015183)。我们发现的另一潜在新种为菌株S61,是革兰氏阴性菌。基于16S rDNA的系统发育分析表明菌株S61属于Algoriphagus属,与之序列相似度最高的模式菌株为A.lutimaris(98.12%),A.halophila(98.12%),A.chungangensis(97.95%)和A.aestuarii(97.35%)。菌株S61与相近的模式菌株的DNA-DNA杂交值均小于70%,并且其与相似模式菌株在细菌形态、生理生化等表型特征上不同。这些结果表明菌株S61属于Algoriphagus属的一个新种,命名为Algoriphagus iocasae sp.nov,该种的模式菌株为S61。热液共生微生物是热液微生物的重要组成部分。阿尔文虾是冲绳海槽热液区常见的一种虾类。目前对阿尔文虾共生微生物的群落结构及功能报道还非常有限。本文采用高通量测序技术和克隆文库技术首次对热液阿尔文虾鳃和肠道共生微生物的群落结构及碳固定途径进行了比较研究。我们发现尽管两个组织内的群落组成相似,但某些细菌组成丰度存在很大差异。ε-变形菌纲在鳃中的丰度要高于肠道,而γ-变形菌、梭状芽孢杆菌纲(Clostridia)正好相反。我们进一步分析了鳃和肠道中的微生物的碳固定途径,发现在两个组织内均存在卡尔文本森循环和还原性三羧酸循环途径中重要酶的编码基因,其丰度在鳃中明显高于肠道内。这些结果表明鳃和肠道至少同时存在两条固碳途径,并且鳃内微生物可能有更高的自养生产力。
【图文】：

分布情况,热液区,分布情况,全球

科学家们发现海底热液活动是一种全球性的地质现象。目围内已发现热液区 500 个左右，分布情况如图 1-1 所示。我国从 198加海底热液研究，并于 2006 年首次独立的在印度洋探测到新的热液区了热液硫化物、沉积物及生物等样本。

洋壳,热液流体,蛇纹石化,海水

深海热液活动是底层海水通过海底的洋壳缝隙渗透到地壳深部，被炙热的岩浆、玄武岩或新生的地壳蛇纹石化时放出的热量加热，然后再沿洋壳缝隙上升，在海底溢出或喷涌而出的现象（图1-2）。海水可渗透到洋壳深处达2至3千米，被蛇纹石化阶段加热的流体温度可高达600 ℃，海底喷口处的流体的温度可达到300 ℃左右。海水在下渗过程中与炽热的岩浆或岩石发生水-岩反应，会淋滤出多种金属元素（如金、铁、锌、铜等），并生成多种气体（如H2S、CO2、H2和CH4等）。热液流体上升至喷口处与冰冷的海水混合，又会使其中很多的可溶性化合物沉淀出来，这一反应会形成热液烟囱结构，包含大量的铁、铜及锌的硫化物。热液喷口周围形成两个梯度带，一个是热液流体与周围冰冷海水热交换形成的温度梯度带
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q93

【参考文献】