导读
广东工业大学滨海与深海生态环境研究中心在Bioresource Technology发表题为Exploring optimal incubation conditions and characteristics of methane oxidizing organisms in deep-sea environments的最新成果，第一作者为2021级博士研究生钟松，通讯作者为冯景春教授。
摘要
甲烷厌氧氧化古菌（ANME）在缓冲深海环境中的甲烷收支起着关键作用。本研究旨在确定ANME富集的最佳环境条件。结果表明，在10.5 MPa下样品中甲基辅酶M还原酶（mcrA）基因拷贝数最多，在4℃下样品中mcrA基因拷贝数最多。ANME-2c在4℃条件下的最佳富集压力为10.5 MPa，ANME-2c的最佳后续孵育时间不超过211天。β -最近分类群指数与孵育时间呈显著相关（P < 0.05）。总无机碳和硫酸根离子是驱动群落构建的关键环境因子。这项研究为ANME-2c的富集以及物种在富集过程中如何在共同栖息地共存提供了见解。
引言
随着21世纪初期持续性全球变暖的证据越来越多，人们对甲烷引起温室效应的重要性有了更深入的认识。在海洋环境中，厌氧甲烷氧化过程每年消耗多达300 Tg的甲烷，从而防止甲烷从沉积物中逸出，对全球温室气体变化产生严重影响。其中，ANME等功能性群落在平衡海底甲烷方面发挥着关键作用。如何有效培养这些微生物群落是理解其功能和机制的关键途径。
ANME-2是冷泉中占主导地位的甲烷厌氧氧化分支，温度范围为4至14°C，其繁殖周期为2至7个月，了解这一过程的机制一直是个挑战。ANME需要严格的厌氧条件和高浓度的甲烷。尽管目前还不清楚ANME-2c的生长和分布受哪些因素影响，但由于海水中硫酸根离子含量丰富，温度和压力更有可能是主要限制因素。此外，人们普遍认为，群落组合既受确定性因素的影响，也受随机因素的影响。但目前，ANME群落在富集过程中的群落构建机制尚不清楚，需要进一步研究。
因此，本研究通过模拟实验来探讨这一过程。最终目标是(1)确定ANME-2c的最佳富集条件，包括压力、温度和培养时间；(2)揭示ANME-2c富集过程中群落组合模式的机制；(3)确定影响群落的环境因子。最终为甲烷消耗的最佳环境条件提供技术支持，并为如何防止海底甲烷排放到大气中提供理论依据。
成果简介
01 在不同压力下化学性质的变化
不同压力下的SO42-、TOC、TIC、pH、细胞数量和基因拷贝数如图1所示。在不同压力孵育下，所有反应釜内的SO42-浓度都有所降低，7.0、10.5和14 MPa下的平均反应速率基本相同，比0.1 MPa孵育时高2.3倍（图1A）。在所有压力下TOC的平均消耗速率基本相同。随着微生物对SO42-和TOC的消耗，反应釜内TIC逐渐增加，高压下的平均反应速率是0.1 MPa时的1.7倍。同时，该过程与反应釜内pH的变化有关，pH呈现先升高后降低的趋势，基本保持在8.0左右（图1D）。与其他压力相比，10.5 MPa下样品中mcrA基因拷贝数最多。
图1 不同压力条件下的地球化学性质、细胞数目及基因拷贝数
02 在不同温度下化学性质的变化
在不同压力的孵育实验中，我们发现10.5 MPa是ANME-2c最合适的孵育压力。我们将温度分别设置为4℃、15℃和30℃，探讨温度的影响，孵育压力固定为10.5 MPa。在不同温度条件下，所有反应釜内的SO42-含量均呈下降趋势。TOC的平均消耗速率与SO42-相似。温度水平不影响TIC和pH的变化（图2C， 2D）。对于孵育结束时的细胞数量，4℃时TCC、ICC或DCC的数量高于其他温度。对于mcrA基因的拷贝数，4℃时的样品明显高于其他温度。
图2 不同温度条件下的地球化学性质、细胞数目及基因拷贝数
03 在最佳压力和温度下高压生物反应器中微生物群落组成
随着培养时间的延长，微生物多样性呈现先减少后增加的趋势，在第75天达到最小值。NMDS分析显示了古菌群落随孵育时间的变化。通过Veen分析，微生物群落的特有ASV数量呈先减少后增加的趋势。在门水平，Halobacterota是古细菌中最多的门，占检索到的总序列的67.2%-97.3%。根据热图，主要属ANME-2c在孵育期间呈先增加后减少的趋势，孵育150天后恢复到原生丰度，在75天达到最大丰度。此外，在孵育结束时，ANME-3的丰度显著增加。
图3 反应釜中微生物群落组成
04 不同孵育时间下微生物群落组合过程及物种共存模式
孵育时间是影响群落组合的重要因素（图4A）。进一步量化了不同孵育时间下的群落组装过程。随机过程主导了整个群落的形成。我们使用中性群落模型得到了相同的结论。构建微生物共现网络，评估不同孵育时间的物种共现情况（图4B）。随着孵育时间的增加，微生物之间的相互关系变得密集，然后逐渐减少。
图4 不同孵育时间下微生物群落组合过程及物种共存模式
05 影响微生物群落多样性的环境因素
采用生态位宽度指数和AVD评价孵育时间对微生物群落功能的影响。生态位宽度与ASV丰富度正相关（图5A）。随着孵育时间的增加，生态位宽度指数呈现先减小后增大的趋势，第75天达到最小值。TIC含量呈上升趋势，SO42-含量基本呈下降趋势，并在第249天耗尽，而TOC在第211天耗尽（图5E）。
图5 不同孵育时间下微生物群落组合过程及物种共存模式
结论
综上所述，ANME-2c在4℃条件下的最佳富集压力为10.5 MPa。在其他营养物质充足的情况下，建议孵育时间不超过二次孵育前211天。微生物在不同的时间梯度上表现出不同的群落组装过程和物种共存模式。TIC和SO42-是影响微生物群落构建的关键环境因子。研究结果为ANME-2c的富集过程提供了新的认识，为优化甲烷消耗的环境条件提供了技术和理论支持。
原文信息
Song Zhong, Jing-Chun Feng, Xiao Chen, Yong-Ji Huang, Xiao-Nan Wu, Si Zhang, Exploring optimal incubation conditions and characteristics of methane oxidizing organisms in deep-sea environments, Bioresource Technology, Volume 407, 2024, 131084, ISSN 0960-8524, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131084.
