劳盆地深海热液喷口沉积物中微生物群落结构研究

【摘要】： 劳盆地深海热液喷口热液流富含硫化物及高浓度的Fe, Mn, Cu, Zn, Cd和Pb等金属,此区域的地理化学特征及生物群落明显不同于东太平洋洋脊(EPR),大西洋中脊(MAR)等研究较多的热液区域。这一热液环境中存在多种电子供体(硫化物,有机碳,CH4和Fe)和电子受体(O2,SO42-和CO2),从而能够支持不同的自养和异养微生物的生长繁殖。东劳扩张中心主要有六个活性热液活动区,这些区域的地理化学特征和微生物群落特征沿扩张中心的南北轴呈现明显的变化趋势。因此这一区域是研究微生物群落结构、功能与地理化学环境条件间复杂关系的理想区域,且越来越受到关注。 本论文针对“大洋一号”环球科考船于2007年5月采集于东劳扩张中心五个深海热液喷口的沉积物样品,进行了微生物群落结构及其重要功能群落结构的研究,并对劳盆地深海热液喷口区微生物群落结构与环境因子之间的相互关系进行了初步探讨。 首先利用PCR-DGGE技术研究了五个热液沉积物中细菌和古菌的多样性。DGGE图谱分析表明不同沉积物样品中细菌和古菌16SrRNA基因的DGGE条带数目和位置不完全相同,这说明不同深海热液沉积物样品的细菌和古菌群落结构具有一定的差异性。鉴别出的细菌序列主要归属于六个类群：α-变形菌,γ-变形菌,δ-变形菌,ε-变形菌,拟杆菌和硝化螺旋菌。其中变形菌中γ-变形菌和α-变形菌占优势。古菌序列主要归属于泉古菌和广古菌两大类群,且多数序列只与深海热液环境或其他海洋环境中检测到的不可培养序列具有相似性。古菌序列具体又可划分为Miscellaneous Crenarchaeotic Group (MCG), I类泉古菌(Marine Group I, MGI), deep-sea hydrothermal vent Euryarchaeota 5和6 (DHVE5和DHVE6)四个类群。主成分分析表明,东劳扩张中心深海热液喷口沉积物中微生物群落结构的差异与环境地理化学性状之间的不同有一定的关联性。 为了弥补DGGE技术的缺陷,获得更多的序列信息和更完整的群落组成,选择了在地理化学特征及DGGE研究的群落组成中差异最大的两个样品RVDY-4和RVDY-5进行16S rRNA基因的克隆文库分析。两个细菌克隆文库中均鉴别出了DGGE分析中检测到的γ-变形菌,ε-变形菌,δ-变形菌,α-变形菌,拟杆菌及硝化螺旋菌六个细菌类群,但是这些类群在两个文库中所占比例不同,γ-变形菌依旧是两个沉积物中的优势细菌类群。另外,RVDY-4BA文库中还鉴别出了浮霉菌,RVDY-5BA文库中还检测到浮霉菌和厚壁菌。古菌16SrRNA克隆文库中的序列主要分为以下几个类群：Miscellaneous Crenarchaeotic Group (MCG), I类和Ⅲ类泉古菌(MGⅠ, MGⅢ), Marine Benthic Group E (MBGE)和pSL12相关类群。这些序列与已知的分离物种亲缘关系较远,说明这一环境中存在许多其他环境未曾发现的新的微生物物种资源。利用荧光原位杂交技术,采用荧光标记的细菌和古菌16S rRNA探针研究东劳扩张中心五个深海热液喷口位点沉积物中细菌和古菌数量,其中样品RVDY-1, RVDY-2和RVDY-4中细菌比例较高,样品RVDY-3中细菌与古菌比例相当,而样品RVDY-5中古菌比例较高。这些结果表明,东劳扩张中心深海热液沉积物中具有较高的细菌和古菌多样性,且不同样品中细菌和古菌比例不同。 另外,采用PCR-DGGE及Real-time quantitative PCR技术对五个沉积物样品中亚硫酸盐还原酶β亚单位基因(dsrB),质粒型甲烷单加氧酶α亚单位基因(pmoA),甲基辅酶M还原酶α亚单位基因(mcrA)的多样性和丰富度进行了调查分析。结果表明,在东劳扩张中心深海热液喷口沉积物环境中dsrB, pmoA, mcrA基因的多样性相当丰富,且不同位点间存在一定差异。dsrB序列分为五簇,其中多数序列为无法归类的序列。pmoA序列与属于γ-变型菌门的Ⅰ型甲烷氧化菌和属于α-变型菌门的Ⅱ型甲烷氧化菌相关,其中Ⅰ型甲烷氧化菌占优势。mcrA序列与甲烷球菌目,甲烷八叠球菌目和一类无法分类的类群密切相关。实时定量PCR结果表明dsrB, pmoA, mcrA基因在热液沉积物样品中含量较为丰富,其含量均在105到106拷贝/克(湿重)之间。CCA分析表明水深,pH,有机碳及酸溶性硫化物含量对dsrB, pmoA, mcrA基因的影响较大。研究结果表明在东劳扩张中心深海热液喷口沉积物环境中存在微生物的硫酸盐还原,甲烷的氧化及产生活动；且多数序列与数据库中已知的序列同源性较低,从而说明这些沉积物中存在dsrB, pmoA, mcrA基因的特有新资源。