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马里亚纳海沟表层沉积物中微生物的群落组成和功能特征

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上海海洋大学学报 2022年第5期31卷 1235-1247页

作者：魏星王丽王紫玄彭青卿李咏琪许元棋方家松刘如龙上海海洋大学海洋科学学院上海201306 上海深渊科学工程技术研究中心上海201306 江苏省海涂研究中心江苏南京210036 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋生物学与生物技术功能实验室山东青岛266237 夏威夷太平洋大学自然科学系夏威夷檀香山96813

深渊是迄今人类认识最少的海洋环境之一。深渊蕴含着丰富的微生物生物量,表现出活跃的有机碳周转特征,是深海有机碳降解的“热点”区域。然而,人类对深渊微生物的物种组成和代谢潜力还知之甚少。本文通过宏基因组技术与生物信息学分析,... 详细信息

深渊是迄今人类认识最少的海洋环境之一。深渊蕴含着丰富的微生物生物量,表现出活跃的有机碳周转特征,是深海有机碳降解的“热点”区域。然而,人类对深渊微生物的物种组成和代谢潜力还知之甚少。本文通过宏基因组技术与生物信息学分析,研究马里亚纳海沟“挑战者深渊”表层沉积物(水深10853 m)中的微生物群落组成和功能特征,揭示深渊表层沉积物中微生物驱动深海生物地球化学循环的潜在机制及其相应的生态效应。研究结果表明:变形菌门(Proteobacteria)、奇古菌门(Thaumarchaeota)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)和浮霉菌门(Planctomycetes)是马里亚纳海沟表层沉积物中微生物的优势类群。表层沉积物中微生物的代谢分析表明其主要营异养代谢,可以降解多种有机物,包括一些难降解有机碳化合物(如邻苯二甲酸盐或其他芳香族化合物)。这些结果说明深渊沉积物中的微生物群落具有多样化的有机碳代谢能力,可以支持其开展活跃的有机碳降解过程。除了异养代谢过程,氨氧化等自养代谢过程在本研究的深渊微生物群落中也占据着重要地位,说明自养固碳可能是深渊表层沉积物中有机碳的重要来源。

关键词：深渊沉积物马里亚纳海沟物种组成代谢潜力异养代谢自养代谢

马里亚纳海沟共培养细菌多样性动态变化及潜在微生物互作关系

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生态学报 2023年第19期43卷 8122-8138页

作者：马跃维丁文冕王跃澎原野黄艳燕南蓬复旦大学生命科学学院生物多样性与生态工程教育部重点实验室上海200438 复旦大学中华古籍保护研究院上海200433 上海浦东复旦大学张江科技研究院上海201203

马里亚纳海沟是世界已知最深的海沟,其寡营养、高压、低温、低氧等极端的深海环境孕育出独特的细菌群落结构及多样性特征。选取寡营养培养基对马里亚纳海沟海水及表层沉积物分别进行液体共培养,并在不同培养阶段取样进行高通量测序,分... 详细信息

马里亚纳海沟是世界已知最深的海沟,其寡营养、高压、低温、低氧等极端的深海环境孕育出独特的细菌群落结构及多样性特征。选取寡营养培养基对马里亚纳海沟海水及表层沉积物分别进行液体共培养,并在不同培养阶段取样进行高通量测序,分析细菌群落结构组成及其多样性的动态变化,探讨微生物之间可能的互作关系。研究结果表明:液体共培养样品中一共检测到19个门、34个纲、76个目、131个科、227个属的细菌,其中变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为优势菌群,其次为厚壁菌门(Firmicutes);与其他样品相比,1000米海水样品中细菌群落的多样性最高,并且蓝细菌门(Cyanobacteria)具有更高的相对丰度。共培养样品中细菌丰富度、多样性、群落结构均随培养时间而改变,其中共培养中期样品的细菌多样性较高;表层沉积物样本中,盐单胞菌属(Halomonas)可能由于较强的竞争能力在共培养后期占据优势地位。基因功能预测与代谢通路富集结果显示,随着共培养时间的增加,微生物生长相关的代谢通路丰度明显下降,而与互作相关的代谢通路丰度明显增加。共培养样品检测到的细菌多样性远高于单独分离培养的多样性,仅有少量菌属为单独分离培养与共培养样品均检测到的共有属。综上所述,马里亚纳海沟细菌群落中存在竞争、互利共生的相互作用,共培养法有利于揭示细菌间的互作关系。研究为深渊及深海等极端环境下微生物生态系统组成及维持奠定了理论基础,也为进一步研究极端微生物的生存策略提供了科学指导。

关键词：马里亚纳海沟细菌多样性微生物互作液体共培养高通量测序

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马里亚纳海沟沉积物物源示踪和沉积环境分析

海洋地质与第四纪地质 2022年第4期42卷 84-95,I0001-I0005页

作者：宋子君孟凡祎李维鼎陈琳莹罗敏上海海洋大学海洋科学学院上海深渊科学工程技术研究中心上海201306

深渊海沟(水深>6 000 m)作为地球表层的最深处,具有特殊的地形地貌和沉积过程,被认为是沉积物最终的汇。通过对采集于马里亚纳海沟南端水深为5 800~10 954 m的4个站位沉积物开展沉积地球化学研究,旨在揭示不同水深沉积物组成的差异,判... 详细信息

深渊海沟(水深>6 000 m)作为地球表层的最深处,具有特殊的地形地貌和沉积过程,被认为是沉积物最终的汇。通过对采集于马里亚纳海沟南端水深为5 800~10 954 m的4个站位沉积物开展沉积地球化学研究,旨在揭示不同水深沉积物组成的差异,判别沉积物的来源和沉积环境的变化。主、微量元素含量、Sr-Nd同位素和黏土矿物组成的分析结果显示,马里亚纳海沟不同水深沉积物组成差别较大,整个MBR05和MBR06岩芯8~20 cm范围均发现大量有Ethmodiscus rex (E. rex)组成的硅藻席沉积(laminated diatom mats, LDMs)。沉积物碎屑组分基本上是陆源风尘端元和火山物质端元的混合,且含有硅藻席沉积物的陆源风尘贡献比例更大,表明大盘筛藻大型成席硅藻的勃发可能与亚洲风尘输入有关。同时,稀土配分模式和Ce异常显示硅藻席形成于次氧化沉积环境,而不含硅藻席沉积物形成于氧化的沉积环境,可能是由于末次盛冰期风尘输入增强,刺激硅藻席勃发后快速堆积至海底,导致有机质矿化增强,进而引起沉积环境的变化。本研究对于认识深渊不同水深沉积物组成的异质性及其对底栖微生物的分布、生态和活动强度的影响有指示意义。

关键词：锶钕同位素黏土矿物硅藻席物源沉积环境马里亚纳海沟

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马里亚纳海沟微生物分离鉴定与多样性研究

马里亚纳海沟微生物分离鉴定与多样性研究

作者：许秀丹烟台大学

学位级别：硕士

因科研技术的局限性,人们对深海的研究起步较晚,对深海生态系统及其生物组成的了解十分有限。而马里亚纳海沟作为世界上最深的海沟,虽然环境恶劣,却生存着数量庞大的微生物群体。因此研究马里亚纳海沟微生物多样性及其物种组成、功能特... 详细信息

因科研技术的局限性,人们对深海的研究起步较晚,对深海生态系统及其生物组成的了解十分有限。而马里亚纳海沟作为世界上最深的海沟,虽然环境恶劣,却生存着数量庞大的微生物群体。因此研究马里亚纳海沟微生物多样性及其物种组成、功能特征对于分析深海微生物群落结构,挖掘新的微生物资源具有重要意义。本研究利用2019年12月“张謇”号科考船在马里亚纳海沟目标区域采集水体和沉积物样品,分别采用培养法和高通量测序技术对马里亚纳海沟的微生物多样性进行研究。1.通过宏转录组测序技术,对马里亚纳海沟不同深度的4个样品进行研究分析。NR分析结果显示,马里亚纳海沟沉积物转录基因来自101个门,其中,变形菌门占据主导地位(38.8%)。在属水平上,转录基因来自978个属,其中丰度较高的为不动杆菌属(Acinetobacter),埃希氏菌属(Escherichia),绿弯菌属(norank＿p＿Chloroflexus)和偶氮螺旋菌属(Azospirillum)。COG分析结果表明,马里亚纳海沟微生物功能主要以能量产生和转化,氨基酸运输和代谢,碳水化合物运输和代谢为主;KEGG分析结果显示,在样品MYNR2、MYNR3和MYNR4中,氧化磷酸化代谢最为显著且癌症中的Micro RNAs代谢功能基因丰度逐渐降低。CAZy分析结果表明,样品MYNR1和MYNR4中碳水化合物结合模块(CBMs)相对丰度最高;样品MYNR2中糖苷水解酶(GHs)相对丰度最高;样品MYNR3中糖基转移酶(GTs)相对丰度最高。ARDB分析结果显示,4个样品微生物被注释到的抗生素基因抗性类型占比最大的均是aph3ia,而注释到的cata1基因丰度在MYNR1、MYNR2、MYNR3、MYNR4 4个样品中的丰度逐渐增加,且acrb基因在样品MYNR1中的丰度比其他样品高,说明研究区域中表层沉积物和下层沉积物微生物的抗生素基因具有一定差异性。2.通过多种培养方法,对马里亚纳海沟13个站位不同深度的31个沉积物和水样进行了微生物的分离鉴定,共获得细菌304株,包含潜在新菌21株。分离的304株菌株中,从水样分离鉴定199株,分别隶属于变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门。其中,菌株数量最多的为变形菌门,共138株,占总数的69.4%,包括γ-变形菌纲和α-变形菌纲。从沉积物样品中共分离鉴定105株,分布于4个门,5个纲,14个目,21个科,38个属,69个种和亚种,丰富度最高的是变形菌门,其中γ-变形菌纲数目最多,多样性最高。3.对发现的两株潜在新菌进行了多相分类学鉴定。其中,菌株MTZ26属于Psychrosphaera属成员,并与P.aestuarii PSC101和P.haliotis KDW4形成了明显的分支。其化学分类学特征与P.aestuarii PSC101和P.haliotis KDW4大体相似,但在酶活性、产酸底物和抗生素耐药性等生理生化特性上存在差异。这表明菌株MTZ26是Psychrosphaera属的一个新种,将其命名为Psychrosphaera ytuae sp.nov。模式菌株为MTZ26(=MCCC 1K05568=JCM 34321)。菌株MT3330属于Flavobacteriaceae科新菌,最相似菌株为Zhouia spongiae(92.3%),其次为:Robertkochia marina(92.0%),Joostella marina(91.8%),Zhouia amylolytica(91.4%),Sinomicrobium oceani(90.9%)。我们通过菌株MT3330与其相似菌株的Average nucleotide identity(ANI)和DNA-DNA hybridizations(DDH)分析,发现菌株MT3330与相似的参考菌株的杂交值均低于种的Amino acid identity(AAI)阈值95.0～96.0%和种的DDH阈值70.0%,又菌株MT3330与其相似菌株的AAI值都在48.9～51.7%之间,低于属的阈值65.0%,这表明菌株MT3330是Flavobacteriaceae科的一个新属新种。菌株MT3330在细菌形态、生理生化等表型特征上与参考模式菌株存在差异。由此可见,菌株MT3330属于Flavobacteriaceae科的一个新属新种。将该种命名为Abyssalbus ytuae gen.nov.,sp.nov。模式菌株为MT3330(=MCCC 1K06012=KCTC82823)。

关键词：深海马里亚纳海沟微生物多样性宏转录组新种

马里亚纳海沟沉积物组成异质性研究：对物源示踪和深渊沉积环境的指示

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马里亚纳海沟沉积物组成异质性研究：对物源示踪和深渊沉积环境的...

作者：宋子君上海海洋大学

学位级别：硕士

深渊海沟(水深大于6000-6500米)通常位于汇聚板块边界,活跃的地质活动使得深渊海沟里的沉积不稳定。同时,海沟漏斗状的地形和高频的海流活动,有利于促进颗粒物质最终向海沟轴部汇聚,形成了深渊海沟有机质降解的“热点区”和独特而丰富... 详细信息

深渊海沟(水深大于6000-6500米)通常位于汇聚板块边界,活跃的地质活动使得深渊海沟里的沉积不稳定。同时,海沟漏斗状的地形和高频的海流活动,有利于促进颗粒物质最终向海沟轴部汇聚,形成了深渊海沟有机质降解的“热点区”和独特而丰富的微生物种群。也正是由于海沟不稳定的沉积特征,导致海沟内不同水深的沉积物组成和来源的异质性明显,而沉积物作为底栖生物生命活动的依托,其组成的异质性将影响底栖生物分布和活动的不均一性。因此,对比分析深渊海沟内不同水深沉积物组成差异及指示的环境信息,对于认识海沟极端环境下底栖生物分布规律和沉积环境演化有重要意义。为了认识海沟内部不同水深不同位置沉积物组成、来源和沉积环境的差异,选取了采集于马里亚纳海沟水深介于5800-10954 m的5个站位沉积物为研究对象,5个站位(MBR02-MBR06)涵盖海沟轴部(MBR02)、海盆(MBR03、MBR04)、向海斜坡(MBR05、MBR06)等不同沉积单元。通过对沉积物样品进行主量、微量和稀土元素、粘土矿物、粒度、Sr-Nd同位素、有机碳含量和AMS-C定年测试,分析并对比了马里亚纳海沟不同水深沉积物质组成和来源和空间上的差异,探讨了马里亚纳海沟末次冰期以来沉积氧化还原条件的变化。地球化学元素和矿物学的结果显示,马里亚纳海沟不同水深沉积物组成差别较大,整根MBR05柱样和MBR06柱样8-20 cm范围均发现大量有Ethmodiscus rex(E.rex)组成的硅藻席沉积(Laminated Diatom Mats,LDMs)。沉积物碎屑组分基本上是陆源风尘端元(东亚和中亚风尘)和火山物质端元的混合,其中以东亚风尘贡献最甚。含有硅藻席沉积物的陆源风尘贡献比例更大,表明E.rex大型成席硅藻的勃发可能与亚洲风尘输入有关。同时,稀土配分模式和Ce异常显示硅藻席形成于次氧化沉积环境,而不含硅藻席沉积物的形成于氧化的沉积环境。结合总有机碳AMS-C定年结果,LDM沉积年代(15-20kyr B.P.)与末次冰盛期(19-26.5 kyr.B.P.)有较好对应,发现沉积环境的变化主要是由于末次盛冰期亚洲盛行风增强引起东亚风尘向西太平洋的输入增加,带来了大量微量营养元素,刺激了E.rex大型成席硅藻的勃发和初级生产力的增加,沉降到海底后有机质矿物增强,耗氧增加,使得沉积物环境由氧化变为次氧化。本研究对于认识深渊不同水深沉积物组成的异质性及其对底栖微生物的分布、生态和活动强度的影响有指示意义。

关键词：马里亚纳海沟锶钕同位素粘土矿物硅藻席风尘沉积环境

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雅浦–马里亚纳海沟连接处地貌特征研究

海洋学报 2022年第11期44卷 63-76页

作者：张志毅韩喜彬许冬宁波鸿蒙检测有限公司浙江宁波315832 宁波海洋研究院浙江宁波315832 自然资源部海底科学重点实验室浙江杭州310012 自然资源部第二海洋研究所浙江杭州310012

雅浦海沟是西太平洋“沟–弧–盆”体系的重要组成部分。在雅浦海沟北部,雅浦海沟与马里亚纳海沟呈典型的垂直相交。本文对该海域的地貌进行了详细的研究。结果表明,两条海沟连接处附近,海沟的水深、形态、剖面等都发生明显变化,且具有... 详细信息

雅浦海沟是西太平洋“沟–弧–盆”体系的重要组成部分。在雅浦海沟北部,雅浦海沟与马里亚纳海沟呈典型的垂直相交。本文对该海域的地貌进行了详细的研究。结果表明,两条海沟连接处附近,海沟的水深、形态、剖面等都发生明显变化,且具有分段性,两侧斜坡上拥有隆起、凹陷、断裂等地貌,这些特征与海沟连接处特殊的俯冲位置具有密切的联系;通过地貌特征和板块扩张速度判断,20 Ma前帕里西维拉海盆扩张中心应位于137°35′34″E附近,雅浦海沟很可能是由帕里西维拉海盆暴露出来的扩张中心转变而成。

关键词：雅浦海沟马里亚纳海沟地貌解译帕里西维拉海盆

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基于俯冲倾角的马里亚纳海沟挠曲模拟

海洋地质前沿 2022年第5期38卷 23-32页

作者：彭祎辉赵俐红凌子龙李沐洁 ENNShinn Hway 山东科技大学青岛266590 青岛海洋科学与技术试点国家实验室青岛266237

马里亚纳海沟是西太平洋“沟-弧-盆”构造体系的重要区域,对马里亚纳海沟特征的研究有助于了解海沟各部分间的形成演化差异。基于研究区的沉积物与水深数据,计算了海沟的初始俯冲倾角(β_(0))与轴线的挠曲(w_(0)),模拟了马里亚纳海沟岩... 详细信息

马里亚纳海沟是西太平洋“沟-弧-盆”构造体系的重要区域,对马里亚纳海沟特征的研究有助于了解海沟各部分间的形成演化差异。基于研究区的沉积物与水深数据,计算了海沟的初始俯冲倾角(β_(0))与轴线的挠曲(w_(0)),模拟了马里亚纳海沟岩石圈的挠曲,得到了马里亚纳海沟各段的岩石圈有效弹性厚度(Te)。模拟结果显示,马里亚纳海沟的挠曲位置约在40~125 km,挠曲幅度w_(b)约为60~840 m,有效弹性厚度约为5~40 km,初始俯冲倾角β_(0)约为0.5°~5°,轴线的挠曲w_(0)约为1.3~4.7 km,整体变化幅度较大;海沟中段的有效弹性厚度最高,南段的有效弹性厚度相对北段略高;海沟中段被大量不同规模的海山侵入,其挠曲幅度、有效弹性厚度、初始俯冲倾角与轴线的挠曲变化幅度都非常大;海沟南段的轴线挠曲很大,明显高于北段与中段,可能与Caroline洋脊的俯冲作用与Caroline热点的影响有关;俯冲初始倾角与有效弹性厚度、挠曲位置、轴线挠曲没有明显的相关关系。

关键词：初始俯冲倾角挠曲有效弹性厚度马里亚纳海沟

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马里亚纳海沟万米级水文观测研究

海洋与湖沼 2021年第5期52卷 1075-1087页

作者：马克陈朝晖李卓然宋振杰袁志伟武斌焦强王志民中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室/深海圈层与地球系统前沿科学中心青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室青岛266237 中国海洋大学船舶中心青岛266100

深渊观测是开展深渊科学研究的前提。文章介绍了2020年7月“东方红3”船在马里亚纳海沟“挑战者深渊”附近完成的一次海洋调查。基于船载温盐深综合剖面测量系统获取的万米级剖面数据,分析全海深的温盐性质,并依据Thorpe尺度方法和细尺... 详细信息

深渊观测是开展深渊科学研究的前提。文章介绍了2020年7月“东方红3”船在马里亚纳海沟“挑战者深渊”附近完成的一次海洋调查。基于船载温盐深综合剖面测量系统获取的万米级剖面数据,分析全海深的温盐性质,并依据Thorpe尺度方法和细尺度参数化方法,进一步估算不同深度层的湍动能耗散率。结果表明:“挑战者深渊”的深层海水十分稳定,3000-5000 dbar的温盐特征与下层绕极水相同;受弱层结背景下的内潮影响,5000-8000 m的耗散率显著提升。本次调查获取的万米级水文剖面为马里亚纳海沟的深渊探索提供了数据方面的支撑。

关键词：马里亚纳海沟挑战者深渊温盐性质湍动能耗散率

马里亚纳海沟沉积物可培养异养细菌的多样性及其DMSP降解能力

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微生物学报 2021年第4期61卷 828-844页

作者：林钰刘荣华周顺朱晓雨王金燕张晓华中国海洋大学海洋生命学院山东青岛266003 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室山东青岛266071 中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心山东青岛266100

【目的】马里亚纳海沟是地球上最深的海沟,具有超高静水压力、低温、无光等生境特征,蕴含独特的微生物资源。二甲基巯基丙酸内盐(dimethylsulphoniopropionate,DMSP)是海洋环境中最丰富的有机硫分子之一,海洋异养微生物可裂解DMSP产生... 详细信息

【目的】马里亚纳海沟是地球上最深的海沟,具有超高静水压力、低温、无光等生境特征,蕴含独特的微生物资源。二甲基巯基丙酸内盐(dimethylsulphoniopropionate,DMSP)是海洋环境中最丰富的有机硫分子之一,海洋异养微生物可裂解DMSP产生“冷室气体”二甲基硫(dimethyl sulfide,DMS),在全球硫循环和气候变化中发挥着重要作用。本研究对马里亚纳海沟沉积物异养细菌进行分离鉴定,并研究其DMSP降解能力,为阐明深渊微生物的生命过程提供独特的微生物资源。【方法】本文以马里亚纳海沟5个站位的沉积物为研究对象,利用3种常规异养菌培养基(2216E、R2A和TCBS)及2种异养菌富集培养基(TCBS肉汤和碱性蛋白胨水)在4℃、16℃和28℃下进行细菌分离培养,通过16S rRNA基因测序鉴定其分类地位,并对代表菌株进行DMSP降解能力检测。【结果】共分离鉴定异养细菌1057株,分属于4个门、7个纲和76个属。γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)为优势菌群,占据可培养异养细菌总数的61.4%,假单胞菌属(Pseudomonas)和盐单胞菌属(Halomonas)为主要的优势属;变形菌门(Proteobacteria)相对丰度在沉积物各层样品中均占绝对优势。厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度深层高于表层。碱性蛋白胨水和TCBS肉汤培养基分别对放线菌纲(Actinobacteria)和芽孢杆菌纲(Bacilli)具有更好的选择性;101株细菌与其最相似物种的16S rRNA基因相似度小于98.65%,为潜在新分类单元。本文进一步选取134株异养细菌进行DMSP降解能力测定,发现52株(38.8%)具DMSP裂解活性。【结论】马里亚纳海沟沉积物中可培养细菌及DMSP降解菌株均具有较高的多样性,我们的研究为进一步开展深渊微生物生命过程研究提供了宝贵的微生物资源。

关键词：马里亚纳海沟可培养异养细菌多样性 DMSP 降解