南海深海微生物氨氧化驱动的化能自养固碳过程及其分子生态学机制

Nitrification, the two-step oxidation of ammonia to nitrate via nitrite, plays a critical role in the global carbon cycle by fixing CO2 with the form of chemolithoautotrophy, and consequently influencing the organic carbon pool and food web structure in the dark ocean. It has long been assumed that the first and rate-limiting step of nitrification, ammonia oxidation, is restricted to a few groups within the domain Bacteria. However, the recent discovery of ammonia-oxidizing Archaea (AOA) has seriously challenged our understanding of the microbial ecology and biogeochemistry of nitrification in the ocean. Therefore, the biogeochemical mechanism of CO2 fixation by microbial nitrification is large unknown. .In order to lighten the relationship between the microbial nitrification and chemolithpautotrophy carbon fixation in the deep sea, a series studies on the typical tropical marginal sea, SCS, will be carried out by integrating the methods from oceanography, ecology, biogeochemistry and molecular biology. The specific objectives are to: (1) quantify carbon fixation rate by nitrification with multi-biogeochemical parameter in the water masses of deep SCS; (2) examine molecular mechanism of chemolithpautotrophy carbon fixation by important microbial nitrifer communities,including ammonia oxidation bacteria (AOB) and ammonia oxidation archeaa(AOA)(3) determine if ammonia oxidation archaea (AOA) play a dominant roles in fixing inorganic carbon in the deep sea based on uptake of 13C-labeled bicarbonate into archaeal genome DNA under microcosm system; (4)estimate the key environmental factors influencing this biogeochemical process..The project will be helpful to expand and strengthen the existing oceanographic carbon-nirogen network, to increase our understanding on microbial and biogeochemical process of autotrophic production by marine nitriication. Ultimately, this multi-disciplinary study should provide insights into the ecological significance of this biogeochemically-important process in all marine systems.

深海微生物氨氧化过程通过化能自养固定无机碳，是深海系统中的重要能源途径，直接影响深海的碳储库。氨氧化古菌的发现，对这一生物地球化学过程的传统认识提出了新的挑战，带来了新的科学问题。本项目以南海深海为目标研究海域，采用海洋地球化学、分子生态学及稳定同位素示踪等多学科交叉的技术手段，基于从微观到宏观的研究思路，通过测定关键地球化学指标以及自养固碳率，厘清南海深部特征水团微生物氨氧化自养固碳的地球化学过程；并基于关键功能基因的指示，分析氨氧化功能微生物在深海中化能自养固碳的分子生态学机制；同时运用SIP和微宇宙培养技术，甄别不同水团氨氧化细菌和氨氧化古菌自养固碳力的大小；最后通过理论和实际分析对比，探索影响深海微生物氨氧化自养固碳的关键环境因素。本研究将深化对深海暗能量生物圈氨氧化微生物驱动自养固碳机制的认识，拓展海洋深部生命活动中碳-氮循环过程的关系，为更合理的评估海洋碳储库提供理论支撑。

深海微生物氨氧化过程通过化能自养固定无机碳，是深海系统中的重要能源途径，直接影响深海的碳储库。本项目围绕“深海微生物氨氧化过程驱动的自养固碳过程与机制”这一核心可续问题，在南海深海海域、珠江口和湛江湾开展了系统的研究工作，取得了如下研究结果：（i）建立了基于amoA、nxrB以及accA基因扩增子高通量测序的多样性分析方法，发展了一种基于数学模型计算同时计算氨氧化速率和亚硝氧化速率的方法。（ii）系统开展了南海深海氨氧化古菌(AOA)的生态分布和自养固碳潜能研究，综合研究结果表明，AOA是南海水体中氨氧化过程的主导者，自养氨氧化古菌是南海水体（尤其是南海深海）中初级生产力的重要贡献者。AOA的amoA基因以及与自accA基因都呈现明显的表层和深层两个不同的群体，amoA基因与accA基因在南海水体中呈现出了明显的垂直分布差异。（iii）基于nxrB基因扩增子高通量测序分析亚硝氧化菌Nitrospira在不同生境中的生态分布，发现不同环境中Nitrospira的群落结构存在差异，其分布特征受控于不同的环境因素。在珠江口水体中，铵是调控Nitrospira生态分布的主要因素，而南海水体中Nitrospira的群落结构却受控于其他环境因。（iv）研究了湛江湾氨氧化微生物丰度、多样性和空间分布特征，发现AOA和AOB具有不同的种群分布特征，88%的AOA属于海洋簇Group I.1a，潮下带亚硝化螺菌属AOB为优势种群，而潮间带亚硝化单胞菌属AOB为优势种群，盐度和pH显著影响湛江湾AOA与AOB的群落结构。本研究将深化对深海暗能量生物圈氨氧化微生物驱动自养固碳机制的认识，拓展海洋深部生命活动中碳-氮循环过程的关系，阐明河口水体亚硝化菌的分布特征，厘清影响氨氧化过程自养固碳的关键环境因素，为认识AOA在海洋中的生态功能提供了新认知。项目研究在国内外公开刊物上发表研究论文20篇，其中SCI 索引论文12篇，中文核心期刊8篇，培养中青年学术骨干2名，培养硕/博士研究生6名，部分成果获得广州市科技进步一等奖。