印度洋深海热液区可培养细菌的分子鉴定与系统发育分析

采用MMJ HS寡营养培养基从印度洋深海热液区沉积物和热液硫化物中分离获得16株细菌,通过16SrDNA序列比对和生理生化分析,对它们进行了鉴定并构建了系统发育树。结果表明,12株细菌属于γ-变型菌(γ-Gammaproteobacteria),其中6株属于盐单胞菌属(Halomonas),4株属于嗜冷杆菌属(Psychrobacter),2株属于食碱菌属(Alcanivorax);其余4株属于芽孢杆菌(Bacillus),其中1株为地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)。分离获得的16株细菌中,4株为革兰氏阳性细菌,12株为革兰氏阴性细菌;H2S反应、吲哚测定反应、M.R和V-P均呈阴性。本研究为深入认识和开发利用深海热液区微生物资源奠定了基础。

西南印度洋深海热液区铠甲虾初探

简述了深海热液区铠甲虾的分类研究现状,整理出铠甲虾总科下属科的形态分类检索表,并对2008年10月-2009年2月中国大洋科考第20航次在西南印度洋深海热液区获得的铠甲虾样品进行详细的形态描述和分类,初步鉴定为5种,隶属于2科5属,分别是:劣柱虾科(Chirostylidae)的折尾虾(Uroptychus sp.),铠甲虾科(Galatheidae)的刺铠虾(Munida sp.)、颈刺铠虾(Cervimunida sp.)、异刺铠虾(Heteronida sp.)和卫铠虾(Raymunida sp.),这5种铠甲虾皆隶属于铠甲虾总科(Galatheoidea)。

一株来源于深海热液区嗜热细菌的分离及鉴定

从西南印度洋热液区沉积物样品中分离纯化获得一株中度嗜热产芽孢杆菌,命名为M6.菌株M6为革兰氏阳性菌,短杆状,可成对.菌株M6的生长温度为35~65℃(最适生长温度60℃),生长pH为6.5~8.5(最适生长pH为7.0~8.0),生长NaCl质量分数为0~4%(最适NaCl质量分数为2%),生长盐度为0~80人工海水(最适盐度为40).16S rRNA基因相似性分析表明,菌株M6属于不产氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus),与Anoxybacillus rupiensis菌株同源性最高,达99%;但16S^23S rDNA间隔区PCR扩增分析表明,该菌与同属菌株有较大差异.通过以上形态学、生理特征以及分子生物学鉴定,认为菌株M6为不产氧芽孢杆菌属的菌株.另外,菌株M6可分泌胞外高温淀粉酶.菌株M6胞内含有内生质粒,其大小约为10 kb,命名为pAB01.

深海热液区化能自养菌Caminibacter profundus氢酶对环境因子的响应特点

以深海热液区化能自养菌Caminibacter profundus为对象,采用扫描电镜和化学能谱分析,研究了菌株表面形态和矿物元素沉积;同时研究了菌株生长、甲基紫精(MV)还原的氢酶活性及膜结合的类型I NiFe氢酶基因(hynL)表达对盐度、pH和温度几种环境因子变化的响应特点。结果表明,菌株表面被Si、Ca、S和Fe等多种元素组成的矿物质层所包裹。不同条件下,菌株生长、MV还原的氢酶活性和hynL的表达趋势相一致,其最适条件为盐度30、pH5.5和55℃培养温度。研究结果表明,在环境改变时,C.profundus通过调控hynL的表达,以调整菌株的能量代谢,维系菌株的生长繁殖。

深海热液区超嗜热古菌太平洋古球菌Palaecoccus pacificus DY20341^(T)高温淀粉酶系分析

热球菌目古菌是深海热液区极端高温环境下的主要古菌类群,其具有丰富的胞外水解酶系以获得营养物质。本研究对来源于深海热液区的太平洋古球菌Palaecoccus pacificus DY20341^(T)的高温淀粉酶系进行了分析。基于酶活测定、SDS-PAGE复性胶检测和保守位点、结构域、信号肽等序列分析,解析其种类及特点。结果显示,菌株DY20341^(T)的高温淀粉酶系包括胞外淀粉酶(PAP00275)、胞外环糊精葡糖基转移酶(PAP01075)、胞内淀粉酶(PAP09095)和胞内4-α-葡聚糖转移酶(PAP09225)。4种酶在60~110℃温度范围具有酶活性,且100℃时酶活性最高。研究表明,DY20341^(T)含有多个耐高温淀粉酶及转运系统,有助于其在深海热液区适应高温和摄取营养,是一种重要的环境适应机制。

东太平洋海隆深海热液区沉积物微生物多样性的研究

提取东太平洋海隆区深海热液系统沉积物样品的总DNA,构建沉积物中的细菌16S rDNA克隆文库,通过PCR-RFLP分析与序列测定,对沉积物中的微生物类群及其与环境的关系进行了分析.结果表明,该海区沉积物中的36个克隆代表的22种基因型分别属于7个主要类群,其中变形菌(Proteobacteria)的γ-亚群为优势菌群,α-和β-亚群也均有分布;而硫氧化相关共生菌的属(sul-fur-oxidizing symbionts)为优势种属.系统发育分析表明,在该沉积物中细菌主要是跟共生有关、跟C、S代谢相关,大多还能在无氧和高温环境的条件下生存,说明采样点具有典型的深海热液生态系统的特点,甲烷代谢和硫代谢在该区域的深海物质能量循环中占据着重要地位.另外大量新的极端微生物的存在,预示着该区域的微生物资源有着非常大的开发潜力.

东太平洋海隆深海热液区沉积物古菌多样性分析

采用PCR-RFLP方法对东太平洋海隆深海热液区3个站位沉积物中的古菌多样性进行了初步研究.结果显示,从古菌16S rRNA基因文库中随机挑取的296个阳性克隆分属奇古菌门(Thaumarchaeota,47.64%)、广古菌门(Euryarchaeota,44.93%)、泉古菌门(Crenarchaeota,6.77%)和未分类古菌(0.68%),其中优势菌群为奇古菌门的亚硝化侏儒菌属(Nitrosopumilus,35.47%)和广古菌门的热原体纲(Thermoplasmata,27.03%),DHVE3、DHVE5、DHVE6、MBGB和MBGE类群在沉积物样品中也均有发现.另外,3个站位沉积物中古菌类群组成存在差异,S5-TVG1站位样品文库的97个古菌克隆分属奇古菌门(49.48%)、广古菌门(49.48%)和泉古菌门(1.03%),S14-TVG10站位样品文库的103个古菌克隆由奇古菌门(84.47%)和广古菌门(15.53%)组成,S16-TVG12站位样品文库的96个古菌克隆包括广古菌门(71.88%)、泉古菌门(19.79%)、奇古菌门(6.25%)和未分类古菌(2.08%).研究结果表明,东太平洋海隆深海热液区沉积物中古菌多样性丰富,存在着许多新的古菌菌群;不同站位古菌菌群结构以及多样性存在差异,这与其所处环境的热液活动密切相关.

西南印度洋中脊热液区岩石声学特性

西南印度洋中脊(Southwest Indian Ridge,SWIR)热液区具有潜在发育的大规模硫化物矿床,当前正在开展SWIR硫化物矿产资源评价。测量分析硫化物和不同围岩的声速等物性特征是硫化物近底地震勘探资料处理和解释的基础。该文对西南印度洋中脊热液区的硫化物和围岩等样品进行了系统的物性测量,结合岩石物性(包括密度、孔隙度、P波速度)与矿物组成,深入分析了西南印度洋中脊热液区岩石声速变化特性及其影响因素。结果表明,SWIR热液区围岩的P波速度受到岩石骨架矿物、孔隙和围压的影响。由于岩石孔隙度总体偏小,对P波速度的影响并不显著,但围压的增加使岩石微裂缝和孔隙逐渐闭合,P波速度呈非线性指数变化。蚀变作用导致了矿物成分改变,是影响围岩声速的最关键因素。单一物性参数测量结果可能存在多解性,联合波速、密度、磁性和电性等多物性参数测量有利于岩性区分。该研究成果有助于识别硫化物和围岩,为我国西南印度洋合同区多金属硫化物地震勘探工作提供重要支撑。

深海热液区微生物矿化过程的功能群和分子机制

深海热液区富含铁、锌、铜等含金属矿物(硫化物、氧化物、碳酸盐等)和无机小分子气体(H_2S、H_2、CO_2、CH_4等),具有独特的生态系统。微生物是深海热液生态系统的主要生产者和重要组成,并以控制矿化和诱导矿化两种途径参与了深海热液区的生物地球化学循环。在深海热液区存在着不同类型的微生物参与了生物矿化过程,如硫氧化菌、金属氧化菌、硫还原菌和金属还原菌等。本文详述了这些微生物参与的生物矿化现象、菌群多样性和矿化过程的分子机制,并对研究微生物矿化的研究工作进行了展望。

南大西洋深海热液区可培养硫氧化微生物多样性及其硫氧化特性

【目的】探索南大西洋热液环境中的硫氧化细菌多样性并研究其硫氧化特性。【方法】通过富集培养和分离纯化获得硫氧化细菌,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析富集菌群组成结构,采用离子色谱法对获得的硫氧化细菌硫氧化特性进行检测。【结果】从南大西洋深海环境样品中共分离到48株菌,分属于alpha-Proteobacteria(28株,58.3%)、Actinobacteria(11株,22.9%)和gama-Proteobacteria(9株,18.8%)共3个门,其中Thalassospira、Martelella和Microbacterium为优势属。DGGE结果表明深海热液环境样品中微生物多样性丰富且不同站位存在差异。硫氧化特性研究结果表明,约60%的分离菌株具有硫氧化能力,可以氧化S_2O_3^(2–)生成SO_4^(2–)。获得一株硫氧化能力较强的潜在新种L6M1-5,在实验条件下可高效氧化S_2O_3^(2–),最大氧化速率可达0.56 mmol/(L·h)。【结论】南大西洋深海热液环境中可培养硫氧化细菌多样性丰富,为研究热液环境中的硫循环过程提供了实验材料和理论参考;同时高效硫氧化菌的获得,为工业化含硫废水的处理提供了良好的菌种资源。

阳极氧化法制备TiO_2膜在模拟深海热液区的耐腐蚀性能

以恒压阳极氧化方法在钛基体上制备TiO_2氧化膜,使用水热釜模拟深海热液区的条件研究其耐腐蚀性能。采用XRD、SEM、接触角测定仪对氧化膜以及腐蚀试样产物进行晶型、表面结构、化学成分和亲疏水性能测定,使用动电位扫描方法对其进行极化曲线测试。结果表明,钛试样和阳极氧化钛试样在模拟深海环境条件下,经过腐蚀反应在表面都生成了一层非致密的TiO_2膜,对基体并不能起到保护作用,而阳极氧化生成的致密TiO_2膜对基体能够起到很好的保护作用。经腐蚀后钛试样表面有TiH_2相的形成,腐蚀电位负移0.45 V。而阳极氧化钛试样表面没有TiH_2相的形成,且腐蚀电位负移较小,表现出良好的耐腐蚀性能。

深海热液区超嗜热古菌Thermococcus sp.TVG2的培养分离与鉴定

【目的】培养分离大西洋脊热液区的超嗜热古菌,为进一步认识该生态系统中的物种及其特点奠定基础。【方法】将大西洋脊热液区海水样品用YTSV培养基富集培养,选取其中富集效果最佳的TVG2培养物用减绝稀释法分离纯化。对所分离菌株进行形态、生理生化特征等分析,并通过分子生物学手段对其进行初步鉴定。【结果】菌株TVG2属于超嗜热厌氧球菌,直径约1.0μm;生长温度范围50-88°C,最适生长温度82°C;生长p H范围为5.0-9.0,最适生长p H值为6.5;生长Na Cl浓度为1.0%-4.0%(质量体积比),最适生长浓度为2.5%;元素硫可显著提高菌株TVG2的生物量,但非生长必需;丙酮酸钠能显著促进该菌株生长,但葡萄糖对其生长则有抑制作用。根据其形态特征、生理生化特性及16S r RNA基因序列分析,确定菌株TVG2属于热球菌属。【结论】用YTSV培养基从大西洋脊热液区样品中分离获得超嗜热厌氧菌株TVG2,并确定其为Thermococcus属成员,命名为Thermococcus sp.TVG2。

深海热液区化能自养微生物多样性、代谢特征与环境作用

热液生态系统是如何形成的?深海热液活动在地球生命起源与演化中贡献是什么?作为深海热液生态系统初级生产者,化能自养微生物在热液区从无机到有机的物质能量转化、元素生物化学循环、热液生命起源演化、热液共生体与生态系统形成发挥着重要作用.深海热液生态系统的能量来源主要是地幔岩浆房水岩反应所产生的还原性物质,包括氢气、硫化氢、甲烷以及还原性金属离子等.化能自养微生物广泛分布于羽流、烟囱壁及热液沉积物等各种热液区生境,通过氧化热液中所携带的还原性物质获得能量、固定二氧化碳,形成热液生态系统初级生产力.通过长期的生物与非生物过程的交互作用,演化形成独特的深海暗能量生态系统.热液微生物的多样性分布特征与影响因素、热液区极端环境适应性机制与环境作用,以及热液生物共生机制等仍是目前重要研究内容,相关研究将有助于认识深海暗能量生态系统的形成机制以及深部生命过程.

超临界态二氧化碳在深海热液区的发现

利用自主研发的深海原位激光拉曼光谱探针对冲绳海槽南部深海热液喷口中气泡进行了原位探测,发现了自然环境下的超临界二氧化碳.原位数据显示热液喷口超临界态二氧化碳中的氮气拉曼光谱峰强度远高于周围海水和高温热液喷口流体中的氮气峰,表明超临界态二氧化碳可以从周围环境中富集氮气.考虑到早期地球大气中二氧化碳的分压约为10~20 MPa,富含氮气的超临界态二氧化碳态可能是地球早期水汽界面附近二氧化碳大气层的主要状态,从而促进了氨基酸和其他有机物的合成、富集和保存,对生命起源至关重要.

印度洋热液区贻贝及栖息沉积物中金属元素的特征分析

本研究采集了印度洋热液区贻贝生物及其栖息沉积物样品,分析了生物体及沉积物中常见微量元素及稀土元素的含量与分布特征,研究了生物体与沉积物金属元素的相关性,以及稀土元素的生态化学特征等。结果表明:印度洋热液区沉积物中常见微量金属主要为Fe(96.62 mg/kg)、Mn(1.143 mg/kg)和Zn(322.6μg/kg),微量元素归一化计算得Fe含量比值高达98.15%,可获悉该热液区沉积物主要为铁矿类物质。深海贻贝中微量元素及稀土元素的分布趋势与深海沉积物中元素分布存在较好的相关性,相关性系数分别为0.991与0.996,近海贻贝中金属元素的含量及分布与深海贻贝存在差异性。深海沉积物与贻贝中轻重稀土元素均呈现分馏现象,且贻贝中富集轻稀土比较显著;从稀土配分模式可知,沉积物与贻贝中的Eu与Gd均呈现异常现象,深海沉积物和深海贻贝中Eu异常现象较为显著。深海沉积物、贻贝及近海贻贝中δEu分别为9.50、10.68和0.23,而δCe分别为2.21、2.71和4.38,表明近海贻贝中稀土元素富集来源与深海贻贝存在差异性,深海沉积物与深海贻贝稀土元素具有同源性。

西南印度洋龙旂热液区神盾螺共附生微生物多样性分析

深海热液区的极端环境促使热液区生物形成了独特的生存机制,即与微生物的共附生关系。本文利用高通量测序技术分析了与西南印度洋龙旂热液区神盾螺(Gigantopelta aegis)共附生微生物的种类及功能。基于16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序结果发现:①神盾螺共附生菌中99.99%都属于细菌域,丰度最高的是变形菌门γ-,ε-,和α-变形菌纲;②神盾螺个体Ga1和Ga3的共附生菌群落中以γ-变形菌为主,个体Ga2中以ε-变形菌为主,表明在同一热液区生活的不同个体间其共附生菌种类也存在较大差异;③宏转录组测序结果与扩增子测序结果基本一致,即神盾螺共附生细菌中变形菌门相对丰度最高,同时发现了高丰度的硫代谢、氢代谢、甲烷代谢以及环境胁迫应答基因。神盾螺共附生微生物的研究将有助于探究深海热液喷口生物的生存和适应策略,为进一步研究奠定基础。

一株深海热液环境来源的PAHs降解菌TVG9-Ⅶ的系统发育与降解基因

【目的】对一株深海热液环境来源的多环芳烃(PAHs)降解菌进行系统发育分析并对其降解特性和降解机制进行研究。【方法】对16S rRNA基因进行扩增和测序,进行基于16S rRNA基因序列的系统发育分析;利用GC-MS测定其对PAHs的降解率;通过构建基因组Fosmid文库,克隆PAHs降解基因簇;并利用RT-PCR和qPCR研究关键降解酶基因在不同PAHs诱导下的表达情况。【结果】从西南太平洋劳盆地热液沉积物中分离到一株PAHs降解菌株TVG9-Ⅶ,系统发育分析结果表明,该菌株属于新鞘氨醇杆菌属(Novosphingobium),与该属的Novosphingobium indicum H25T系统发育关系最为密切,它们的16S rRNA基因序列相似性高达99.7%。该菌株在21 d内对菲、荧蒽和芘的降解率分别为95.2%,57.3%和69.6%。从Fosmid文库中筛选得到一个负责PAHs降解的上游基因簇,包含了PAHs起始降解双加氧酶大小亚基(pheA1a/b)基因和一个脱氢酶基因;RT-PCR和qPCR实验表明,双加氧酶大亚基基因pheA1a在菲的诱导下上调表达4.2倍,而在萘及高环荧蒽和芘的诱导下无上调。【结论】菌株TVG9-Ⅶ是Novosphingobium属深海热液来源的PAHs降解菌,具有良好的降解特性,特别是对高环PAHs的降解效果较好。

生命来自海底“黑烟囱”有了新证

我国科考队员在2016年深海热液航次中,于西太平洋一处深海热液区发现超临界二氧化碳,这是全球在自然界里的首次发现。近日,科学家分析认为,此次观测到的超临界二氧化碳中含有大量氮气和有机组分,为生命起源以及初始有机质的形成提供了新的启示。生物学研究表明,超嗜热菌很可能是地球上生命的共同祖先,因此热液系统一直被认为与生命起源密切相关。

进击的“蛟龙”

2018年以来,蛟龙号载人深潜器针对西南印度洋热液区和西北太平洋雅浦海沟、马里亚纳海沟等深渊区科考作业需要,在充分发挥自身技术优势、解决深海热液区与深渊海沟区重大科学问题的同时,结合科学需求进行性能优化,进一步提升了深潜器的取样作业能力、水下搜索定位能力和微地形地貌测绘能力,使其实用性、易维护性等综合性能迈上一个新台阶。