近日，中科院海洋所刘建国研究员课题组在深海微生物主导参与锰结核成矿研究上取得重要突破，相关结果以2篇研究论文分别在国际TOP学术期刊Chemosphere（IF=8.94）和Ecotoxicology and Environmental Safety（IF=7.129）上发表，该成果诠释了微生物代谢在锰离子富集及成矿中的作用机制。9 i7 }. I6 W( ]! Z" j3 W @ T
锰结壳广泛分布于2000以深的海底，在密集区每平米可达到百公斤以上，全球海底总储量估计约3万亿吨以上，是重要的战略性矿产资源。海底锰结壳通常生长于海底坚硬的海山或基岩上，其成因可能与深海特殊地质环境的物理化学条件或生物过程有关，但至今尚未有一致的观点。除了海底地质环境和物理化学条件以外，微生物矿化作用也非常值得关注。一些微生物的成矿效率可达物理化学作用的105倍以上，在锰结壳形成过程中可能发挥着重要作用。; ^# h! }+ Y7 R/ L( z0 K9 C9 @
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我所科研人员从深度为~2500 m西太平洋海底获得的锰结壳样品中，首先分离获得一株耐高浓度锰离子的深海菌株寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp. MNB17），进而利用该菌株开展模式实验。结果表明：单胞菌菌株MNB17直接参与锰元素的富集与成矿过程，并证实其催化成矿类型与锰离子浓度有关，即锰离子浓度的高低决定着不溶性的碳酸锰和氧化锰形成。其中，在相对低浓度中，菌株MNB17可形成以菱锰矿（JCPDS#44–1472）为主的矿物；而在相对高浓度中，则形成以氧化锰矿（JCPDS#81–2261）为主的矿物。
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研究人员通过代谢组学诠释了菌株在不同锰离子浓度下如何调控形成不同锰矿的过程。结果表明：在不同锰浓度下该菌株的能量代谢存在明显差异。其中，在相对低浓度锰离子溶液中，菌株MNB17有氧及无氧呼吸旺盛，同时脂肪酸发生降解，可为菌株代谢提供充足的能量，进行氨化作用形成菱锰矿；而在相对高浓度锰离子溶液中，菌株有氧及无氧呼吸下降，导致氨化作用减弱，负责锰离子氧化的多铜氧化酶的表达显著提高，因此氧化锰矿占比相应增加。此外，研究人员还通过向高浓度锰离子溶液中添加外源有氧呼吸底物，成功地将氧化锰矿转变为菱锰矿，验证菌株MNB17可通过调节能量代谢，参与不同浓度锰离子中的成矿过程，并决定最终成矿类型。
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研究团队的另一结果还发现：高浓度锰离子条件下，菌株胞内ROS生成明显增加，ROS也参与催化氧化锰矿的形成。转录组学揭示：在锰离子培养条件下，菌株MNB17的组氨酸合成通路基因显著上调。组氨酸是α-酮戊二酸的前体，α-酮戊二酸通过非酶催化反应消除胞内过剩的ROS，减少氧化锰矿的生成。在此基础上，研究人员通过向高浓度锰离子溶液中外源添加组氨酸，成功地将氧化锰矿转变为菱锰矿，进而也验证了组氨酸代谢也参与了菌株MNB17锰成矿形式。# `& t$ q! V2 E6 E. ~) [2 q4 l
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上述成果为微生物参与锰矿形成过程提供了实验证据，并诠释了其作用机制。我所实验海洋生物学重点实验室藻类与藻类生物技术团队的杨娜副研究员为上述论文的通讯作者，深海极端环境与生命过程中心张国良研究员在研究中做出了突出贡献。研究得到了中国科学院战略先导B专项和青岛海洋科学与技术试点国家实验室项目资助。% m2 b' b; N/ k, s- l& |* S4 k
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图1 能量代谢决定菌株MNB17的成矿类型
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y$ o0 w4 g. F* h# z图2 组氨酸代谢参与菌株MNB17的成矿类型, R/ V& h+ c7 k' G2 u
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论文链接：
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, j, L! U3 ~- |/ l% v* _& m Fuhang Song, Guoliang Zhang, Xiuli Xu, Steven W. Polyak, Kai Zhang, Honghua Li, Na Yang*. 2022. Role of intracellular energy metabolism in Mn(Ⅱ) removal by the novel bacterium Stenotrophomonas sp. MNB17. Chemosphere, 308,136435.
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8 l }1 x! [7 y* h7 F0 F V+ A https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136435
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Fuhang Song, Guoliang Zhang, Honghua Li, Linlin Ma, Na Yang*. 2022. Comparative transcriptomic analysis of Stenotrophomonas sp. MNB17 revealed mechanisms of manganese tolerance at different concentrations and the role of histidine biosynthesis in manganese removal. Ecotoxicology and Environmental Safety, 244, 114056.
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