深海热液区氨氧化微生物原位富集与功能分析

Deep-sea hydrothermal vent environments are important yet understudied component of marine microbial ecosystems, which inhabit numerous and diverse microbial populations participating in nitrogen, sulfur and carbon cycles. Ammonium-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) as well as anaerobic ammonia-oxidizing (anammox) bacteria have emerged as widespread and globally significant factors in the marine nitrogen cycle. Given the difficulty in culturing ammonium-oxidizing microbes, researches about the enrichment of these groups originating from deep sea haven’t yet been carried out. In this study, molecular biological approaches including Miseq sequencing and quantitative reverse-transcript PCR will be first used to determine the abundance and diversity of ammonium-oxidizing microbes in deep sea. Then, autonomous in situ colonization equipment will be employed in deep-sea hydrothermal vents, to obtain the enrichments of ammonium-oxidizing microbes in situ, which will provide the material for isolation of ammonium-oxidizing microbes in labs and will help to further elucidate questions about their physiology, metabolic functions as well as adaptation mechanisms in deep sea in the future.

深海热液生态系统因其独特的理化性质，孕育了大量无机化能自养微生物，参与全球氮、碳、硫循环。氨氧化菌是一类重要的海洋微生物，在海洋氮循环方面发挥了重要作用。然而，由于氨氧化菌的难分离培养，迄今几乎没有深海来源的氨氧化微生物获得富集培养。本课题将首先利用高通量测序技术和实时定量PCR等分析深海热液生态系统中氨氧化微生物的多样性特征，在此基础上通过深海原位定植培养装置，获得氨氧化菌的原位富集物，为实现氨氧化微生物的分离培养创造条件，同时也为进一步阐释氨氧化微生物在深海热液环境的生理、代谢、环境适应机制等奠定基础。

深海热液生态系统因其独特的理化性质，孕育了大量无机化能自养微生物，参与全球氮、碳、硫循环。氨氧化菌是一类重要的海洋微生物，在海洋氮循环方面发挥了重要作用。然而，由于氨氧化菌的难分离培养，迄今几乎没有深海来源的氨氧化微生物获得富集培养。本项目首先利用高通量测序分析了DY38航次西北印度洋深海热液生态系统中17个硫化物样品和19个深海海水/热液羽流样品中细菌和古菌的种群结构特征，尤其是氨氧化微生物的多样性，揭示了西北印度洋深海热液区尤其是热液羽流中蕴含着高丰度和多样的氨氧化古菌，在C、N元素循环方面发挥重要作用。在此基础上利用自主研发的深海沉积物及水体原位定植培养系统、自制原位富集罐等不同装置，分别在西南印度洋洋中脊水体（水深2200m）和热液区沉积物（水深4432m）以及南海深海水体（水深3300m）中，通过向富集仓内投加铵盐、硝酸盐和尿素等对参与氮循环的微生物进行原位富集培养，共获得7个原位富集样品。进一步通过高通量测序和克隆文库及定量PCR对深海原位富集物进行了氨氧化微生物的多样性分析。结果表明，与对照组相比，不同氮源富集组的氨氧化古菌（AOA）类群的丰度显著提高，且种属多样性更丰富。同时通过平板培养手段，从原位富集物中选择性分离鉴定了73株细菌，实验证实部分菌株具有异养硝化和反硝化能力。此外，针对原位富集物开展了实验室的连续转接富集培养，获得了2个氨氧化古菌富集物，为实现氨氧化古菌的功能研究，为进一步阐释氨氧化微生物在深海热液环境的生理、代谢、环境适应机制等创造了条件。