摘要
卤代有机物是海洋中大量产生的一类惰性有机物,部分化合物甚至可持续存在百万年以上.卤代有机物的合成、沉降和埋藏以及微生物对卤代有机物的代谢和降解等过程与海洋微型生物碳泵和生物碳泵具有紧密的联系,是海洋碳、卤元素生物地球化学循环中的重要过程.多样化的脱卤微生物和脱卤代谢途径在广大深海和深部生物圈微生物群落中呈现主导地位,预示着卤代有机物代谢在深海和地球深部的碳循环过程中可能扮演着重要的角色.然而,目前对深海卤代有机物的生物地球化学循环相关研究较为稀少,对深海环境中卤代有机物的含量、成分和时空分布、以及深海脱卤微生物驱动卤代有机物降解的过程和机制等尚不清楚. 本论文首先针对目前缺乏一种简单高效地监测海洋卤代有机物的检测方法的问题,建立并优化了一种基于燃烧-离子色谱的检测海洋沉积物中有机卤素的含量和成分的方法.经实验验证,该方法在测定可吸附有机氟 (AOF)、氯 (AOCl)、溴(AOBr) 和不溶性有机氟 (IOF)、氯 (IOCl)、溴 (IOBr) 以及总有机卤素 (TOX) 含量时,方法的线性范围为 2 个数量级,样品的可吸附有机卤素 (AOX) 和不溶性有机卤素 (IOX) 的回收率分别为 75.0%~ 93.7%和 74.1%~ 120.9%,相对误差 RSD 为0%~ 36%,质控参数均符合 ISO 9562 标准.在此基础上,本论文首次分析了深海沉积物中卤代有机物含量和成分.结果显示,卤代有机物在所有检测的马里亚纳海沟、新不列颠海沟、冲绳和近岸沉积物中广泛分布.同时,卤代有机物在深海特别是深渊海沟沉积物中的含量显著高于近岸浅海,远高于这些环境中此前报道的人为有机卤素污染物的含量,进一步分析发现,海洋沉积物中有机碳:有机卤素的比率平均可达 58.75,说明卤代有机物在海洋沉积物有机碳库中占据极为重要的份额. 本论文通过对 27 套马里亚纳海沟沉积物宏基因组、29 套其他深海沉积物宏基因组和 2 套近岸沉积物宏基因组数据的分析,进一步研究了深海微生物降解、利用卤代有机物的代谢潜力.结果显示,多种类型的脱卤酶在马里亚纳海沟沉积物中显著富集,特别是其中的 S-2-卤酸脱卤酶 (S-2-haloacid dehalogenase) 和卤代烷烃脱卤酶 (haloalkane dehalogenase) 的丰度显著地高于非海沟环境(如深海盆地、沿海地区).通过对宏基因组数据的重建,从 27 套马里亚纳海沟宏基因组数据中获得了 2544 个重组基因组 (MAGs),其中 285 个为高质量 MAGs,其中 143 个 MAGs 具有脱卤潜力.鉴定出的脱卤微生物属于 16 个门和 52 个目,其中大多数首次被报道为潜在的脱卤微生物.对 143 个具有脱卤潜力的 MAGs 进行分析,发现它们在马里亚纳海沟沉积物宏基因组中的相对丰度为宏基因组总 reads 数的 8% ~ 21%.对脱卤微生物的代谢机制研究发现,脱卤微生物具有降解氯环己烷和氯苯、氯代烷烃和氯代烯烃、氟苯甲酸酯等多种卤代有机物的代谢通路,同时这些微生物还参与了多种其他元素如氮、硫、砷等的生物地球化学循环过程.脱卤酶蛋白的系统发育分析表明,在马里亚纳海沟沉积物中,卤代烷烃脱卤酶被分为HLD-Ⅰ、HLD-Ⅱ 和 HLD-Ⅲ 三个进化亚家族.在类型分布上跟已经报道的脱卤酶相同,其中HLD-Ⅱ最多,而HLD-Ⅲ最少,这体现了脱卤酶保守序列的同一性.此外,马里亚纳海沟中的脱卤酶会聚类到一支,说明深渊脱卤酶非保守序列的特异性强. 通过对沉积物脱卤酶的资源多样性研究发现,在不同深海沉积物环境中,脱卤酶和脱卤过程广泛存在于多种微生物类群中,并且在深渊中更为普遍和富集.这启发了对海洋垂直剖面中脱卤酶逐渐下沉富集的猜想,因此我们又对海水中脱卤酶的资源多样性产生了浓厚兴趣.本论文通过对 18 套马里亚纳海沟海水宏基因组、 11 套其他深海海水宏基因组和 1 套近岸海水宏基因组进行分析,结果显示脱卤酶在不同海洋海水环境中也广泛存在,近岸海水中相对丰度较低,而在深渊中更为普遍和富集.通过对宏基因组数据的重建,从 18 套马里亚纳海沟海水宏基因组数据中获得了 1167 个重组基因组 (MAGs),其中 223 个为高质量的 MAGs,其中 65 个 MAGs 具有脱卤潜力.鉴定出的脱卤微生物属于 8 个门和 28 个目.通过对 65 个具有脱卤潜力的 MAGs 在马里亚纳海沟海水宏基因组中的相对丰度进行分析,结果显示马里亚纳海沟海水宏基因组中脱卤微生物的相对丰度为宏基因组总 reads 数的 1%~ 24%.不过,通过比较发现,马里亚纳海沟沉积物中的脱卤微生物的多样性高于海水. 本研究首次揭示了深渊沉积物中有机卤素的含量、成分、空间分布以及深渊微生物脱卤酶的资源多样性.所得的结果说明卤代有机物在深海环境有机碳库中占据重要份额,同时具有脱卤功能的卤代有机物降解菌(脱卤微生物)在深海海水和沉积物中广泛分布,且具有极高的多样性和相对丰度,在深海碳、氮、硫等重要元素的生物地球化学循环中扮演着重要的角色.这些发现为深入探讨海洋中卤代有机物的生物地球化学循环提供了重要基础,有助于增进对深海微生物极端生命过程和生存适应机制的理解.
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