编译：A国民少女，编辑：小菌菌、江舜尧。
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与邻近的深海平原沉积物相比，沉积区的海沟底部(>6000米以下)沉积物的微生物细胞丰度更高。这是由沉积有机质(OM)的累积所支持的，并由海沟地形所促进。然而，底栖微生物在不同海沟系统中的分布尚未得到很好的研究。
本文对来自西北太平洋三个海沟区域:日本海沟、伊豆小笠原海沟和马里亚纳海沟的7个深海和7个海底沉积物岩芯的92个沉积物亚样本进行了小亚基核糖体RNA基因标记测序。标记序列分析显示几种与氧和硝酸盐相关的门的具体分布模式。群落结构在深海沉积物和海底沉积物之间存在明显的差异，其地理位置和因子以沉积物深度为代表。共现网络揭示了6个潜在的原核联合体，它们在不同的区域内共存。我们的研究结果进一步支持了OM循环是由沉积区洋流和/或快速埋藏在海沟底部的微生物群落结构驱动的，除此之外还有来自表层海洋的垂直沉积。我们的跨海沟分析突出了地表海底沉积物中微生物组合和地球化学在海沟内和海沟间的分布，为我们了解海洋微生物生态学提供了新的视角。
论文ID
原名：Microbial communityand geochemical analyses of trans-trench sediments for understanding the rolesof hadal environments
译名：微生物群落和跨海沟沉积物的地球化学分析揭示深海环境的作用
期刊：ISME
IF：9.493
发表时间：2019.12.11
通讯作者：Takuro Nunoura
作者单位：日本海洋与地球科学技术署(JAMSTEC)
实验设计
日本海洋地球科学技术署（JAMSTEC）在五次航行中收集了沉积物岩心。研究船（R / V）Kairei KR11-11（2011年12月）、KR15-01（2015年3月）巡洋舰和R / V Yokosuka YK11-06（2011年9月）巡洋舰前往伊豆小笠原海沟。R / V Kairei KR12- 19日（2012年12月）巡游日本海沟，R / V Kairei KR14-01（2014年1月）巡游海马里亚纳海沟（图1和附表S1）。水深范围从4700到10,902 mbsl。在这11个地点中，有4个位于海沟底部（“ 沉积区地点”），而其他7个位于相邻的深海平原（“深海地点”）。在KR11-11和KR15-01航行期间，由遥控车（ABV）的重力取芯器获得沉积物岩心；在KR11-11、KR12-19以及KR15-01巡洋舰，KR14-01巡洋舰的多核心系统，以及YK11-06巡洋舰的“ Shinkai 6500”载人乘用推进器。在每个采样操作中，都使用了电导率，温度和深度传感器SBE-19或SBE-49（美国华盛顿州贝尔维尤的海鸟电子公司）。在采样操作中，对伊豆小笠原海沟中的IO1和IOC站点（分别为IO1-1和IO1-2，以及IOC-1和IOC-2）和马里亚纳海沟中的MC站点（ MC-1和MC-2）。通过以2600×g离心10分钟来提取孔隙水，然后使用0.2 µm注射器筒式过滤器过滤上清液（海水）。子样本分别存储在-80和-20°C下，用于分子和地球化学分析。在船上室温下，用或不用5 mL甲醛溶液（终浓度为2％w / v，在PBS缓冲液中）固定用于直接细胞计数的沉积物样品1 h，并保存在-80°C下。
在陆上实验室中，通过分光光度法对孔隙水中的营养物浓度进行了分光光度法分析。用元素分析仪与稳定同位素质谱仪对KR15-01进行快速燃烧，测定氮（TN）及其碳和氮同位素组成。稳定的同位素比以δ值表示，其中δ=（Rsam / Rstd-1）×1000，其中R为样品和标准品中的同位素比（13C / 12C或15N / 14N）。
结果
1 有机地球化学
研究沉积物中的总有机碳和总氮含量分别为0.10至3.28 wt％和0.02至0.42 wt％（图S1和S2）。尽管在深海站观测到很大的变化，但深海中的TOC浓度通常较低（0.10–0.55wt％），低于沉积区（0.29–3.28wt％）。在深海部位，最外层的TOC浓度为0.42±0.09wt％（n = 7），并在海底（cmbsf）下方15厘米处逐渐降低至0.22±0.10wt％（图S1）。在沉积区，TOC浓度也随沉积物深度的增加而从最外层的1.39±0.95wt％（n = 6）下降到平均15cmbsf左右的0.95±0.61wt％。但是，各监测站之间的差异很大，下降趋势不如深海监测站明显。这些趋势与以前的发现相一致，以前的发现报道了与邻近的深海平原相比，在沉积区的沉积物快速沉积和埋葬。在JC和IO1-2浅滩核心中发现了高TOC浓度的层，这可以用自然条件沉积来解释。
在沉积区中，TOC和TN值在日本海沟地域中最高（分别为1.63–3.28和0.22–0.42wt％），而在马里亚纳海沟地域中则最低（0.16-0.59和0.02–0.08 wt％），它们相差一个数量级。 C/ N比与过去的观察一致，即伊豆小笠原海沟地区的蛋白质，碳水化合物和脂质的浓度通常高于马里亚纳海沟。由于浮游植物消耗养分期间的同位素分馏，表层沉积物的δ15N值可能反映了海洋表层养分的有效性。富含营养的条件会导致较低的值（日本和伊豆小笠原海沟分别为5.1–5.4‰和2.4–8.2‰），而缺乏营养的条件会导致较高的值（在马里亚纳海沟中为8.9–11.7‰）。因此，沉积物的OM浓度和特征可能反映了所调查站的不同地理环境和生产力。通常预期有机碳沉积和随后的成岩作用反映了上覆海洋的表面生产力。日本海沟位于相对富营养的西北太平洋下，营养丰富的亲潮洋流遇到温暖的黑潮洋流。此外，与日本本州岛的距离很近，可能会导致海底地面OM升高。相反，其他站点位于贫营养的太平洋下面，远离大陆或大岛。特别是，马里亚纳海沟地区位于亚热带环流附近，该环流是已知的最低地表海洋生产力之一。即使无法从可用数据得出明确的结论，每个站点的C / N比差异也可能反映出OM源的差异以及稳定的同位素特征。
图1 沉积物岩心采样站及其地理位置的地图。显示了平面图（a）和三维图（b，c）。具有绿色和蓝色矩形的测站分别代表深海站点和沉积区。 JC站的虚线表示该站位于海山后方。
2 孔隙水化学
我们测量了获得的岩心（图2和S3）中溶解氧（O2）和孔隙水养分的浓度，利用氧和/或硝酸盐作为电子受体，研究微生物对沉积有机质的分解。在大多数沉积物核心中，随着沉积物深度的增加，O2浓度迅速下降，并在30cmbsf以上耗尽。而从马里亚纳海沟收集的沉积区核心中的O2浓度则显示出适度的下降。马里亚纳海沟区域的氧气浓度和下降趋势（在深海和海底位置分别为0–16 cmbsf深度处分别为120–180和50–150μM）与先前报道的相似（130–180和50 –180μM）。除JC外，所有站点最外层的NO 3–浓度均为35μM，这与伊豆小笠原海沟底带的海水中的浓度一致。在所有辐射状岩心中，随着沉积物深度的增加，NO3-的浓度急剧下降，在30cmbsf以上小于5μM，同时NH4 +浓度也随之增加，尤其是在日本和伊豆小笠原海沟中。相比之下，在伊豆小笠原海沟和马里亚纳海沟地区所有沉积区的沉积物深度中，没有观察到明显的NO3 –（> 27μM）消耗和较低NH4+浓度（<11μM）下降，这也显示出低TOC浓度。值得注意的是，与深海沉积物相比，NO3-剖面显示了不同的沉积物。在NO2–剖面中，仅在三个沉积物岩心（分别来自JC，IO1-1和IO1-2的岩心的3、7和7 cmbsf）中发现了高达6.6μM的清晰地下峰。除IO1-1和IO1-2站外，PO4-浓度通常随沉积物深度而增加。这些溶解的氧和氮化合物的分布与以前的研究一致。这些资料表明，在深至50 cmbsf的深海沉积物中，微生物硝酸盐的呼吸作用相对适中，而在30 cmbsf以上的浅滩沉积物中，呼吸作用活跃，这可能反映了新鲜OM的浓度较高。有趣的是，随沉积物深度的变化，旱生沉积物中NH4 +的增加率随沉积物深度的变化而逐渐变化（即北部站点（JC）的增长率较高，而南部站点（MC-1和MC-2）的增长率较低），揭示了微生物种群中各个站之间的差异以及氮循环所涉及的功能。
图2 表层沉积物孔隙水化学特征。图中显示了50 cmbsf以下的数据。整个沉积物的数据在图S3中显示。
3 微生物丰度
直接细胞计数和qPCR技术显示了微生物丰度的相似趋势（图3和S4）。通过细胞计数得到的细胞丰度范围为4.2×105至9.6×107细胞/ mL沉积物，随沉积物深度的增加而总体下降，而在日本和伊豆小笠原海沟的海沟部位发现了分散的剖面（图3a和S4a）。细胞密度与其他工作报道的相似或什至更高。沉积区的细胞丰度通常高于相邻的深海站。比较核心之间的最大细胞丰度时，日本和马里亚纳海沟分别发现了沉积区中最大和最小的细胞丰度。对于沉积区，伊豆小笠原海沟的丰度比马里亚纳海沟的丰度大。对于qPCR分析，每个站中原核和古细菌SSU rRNA基因的拷贝数分别为3.4×105至3.0×109和9.9×104至5.7×108拷贝/ mL沉积物（图3b和S4b）。此外，仅在马里亚纳海沟地区，浅海深部沉积物的拷贝数高于海底沉积物的拷贝数。通过直接计数方法，SSU rRNA基因拷贝数比细胞丰度高2–197倍，这可能是由于直接细胞计数（例如染色）和分子分析（例如引物，探针，细胞外）引起的DNA和/或SSU rRNA基因拷贝数在原核基因组上。但是，细胞丰度与SSU rRNA基因拷贝数显着相关（图S5）。有趣的是，古细菌与原核生物的比率在大约10,000时迅速下降。总的核心深度低于20 cmbsf，而通过深渊核心的垂直剖面观察到更高的值（图3c和S4c），这可以解释为深渊营养物质的利用量比沉积区低。总的来说，这些趋势与之前的研究结果一致，这支持了在沉积区的沉积物中，特别是在5 cmbsf以下的地下，微生物活动更加活跃。
图3 丰富的微生物和古细菌的比例。使用（a）细胞计数和（b）qPCR技术测量丰度。 X轴分别代表每毫升沉积物的细胞计数和SSU rRNA基因拷贝。误差棒代表标准偏差。（c）使用qPCR数据计算古细菌/原核生物的比率。该图中显示了0到50 cmbsf之间的层中的数据，完整的数据在图S4中显示。
4 沉积物样品中微生物群落OTU水平的组成
根据沉积物的地球化学特征，特别是溶解氧和硝酸盐的浓度，我们从每个沉积物核心中选择4到10层进行SSU rRNA基因标记测序。从92个沉积物子样本中获得了8,286,508个平均长度为414 bp的高质量SSUrRNA基因序列。每个样品的序列由80,478个OTU组成，每个样本包含1587-13181（平均5478）个OTU。每个样品的OTU数量与以前的研究报告的相似或更高。根据稀疏曲线，每个沉积物样品孔中获得的OTU代表其微生物群落（图S6）。为了研究样品之间的成分相似性，我们进行了基于OTU的NMDS分析。 OTU的组成与水深有关（图4a），并且与每个站点的沉积物岩心大致相似（图4b）。深海沉积物和海底沉积物的OTU组成显着不同（A = 0.11，p <0.001，MRPP）（图4c），并且沿站点构造（A = 0.31，p <0.001）（图4d）。沟槽和分区对中的每一个也都具有显着的关联。（A = 0.21，p <0.001）（图4e）。出乎意料的是，来自伊豆小笠原海沟和马里亚纳海沟地区的深海沉积物中的成分大量重叠。沉积物之间的分离与孔隙水硝酸盐，TOC和TN浓度的下降趋势不同有关，而与孔隙水氧浓度和细胞丰度无关（图S7）。沉积沉积岩芯中群落多样性的垂直剖面与深渊岩芯中的群落垂直分布不同（图S8）。所有深渊核心的Shannon，Simpson和Chao1指数值均随沉积物深度而逐渐减小。而在浅滩样本中，其波动幅度较大。总体而言，深海站最上层的香农指数和Chao1指数高于沉积区。在浅滩岩心中，指数值在5–20 cmbsf处降低，并在这些层以下保留或增加。在伊豆小笠原海沟的所有浅滩岩心中，香农指数图均在8-25 cmbsf处显示出清晰的峰值，且该值高于大多数表层的峰值。相反，在马里亚纳海沟的海底岩心中，在较深的沉积物剖面（> 10 cmbsf）中该指数值略有增加，这表明峰值可能位于深于30 cmbsf的层中。有趣的是，在氧和硝酸盐耗竭发生的那些层附近，多样性降低了（图2）。这些趋势与在深部沉积物中形成的大多数散生的微生物沉积物中所观察到的分散的微生物细胞丰度一致（图3）。然而，这些趋势与原核生物生长和生物活性受限于有限能量海底沉积物中沉积物深度的一般趋势相反。因此，微生物多样性和细胞丰度的那些趋势应该是地下生物圈的独特特征。在肠道和淡水环境中，新鲜营养资源的供应一般与微生物生物量和多样性有关。根据提出的理论，地下的生物圈的特征也可以通过营养供应来解释（即，如上所述，具有较高沉降速率的相对较新鲜的有机化合物的沉积）。此外，最近通过滑坡沉积的沉积物可能是微生物细胞的其他潜在来源，导致微生物随沉积物深度的变化而变化。
图4 OTU成分的非度量多维标度（NMDS）图。距离矩阵是根据Bray-Curtis差异计算得出的。最终构型的应力值为18.2％。沉积物样品的颜色取决于（a）水深，（b）沉积物深度，（c）分区，（d）采样点和（d）沟渠和地貌。 c–e椭球代表每组周围95％的置信区间，并且每个沉积物的芯，分区和地理位置均按颜色进行编码。
5 沉积物样品中微生物群落的分类组成
在检索到的OTUs中，76,881个(99.7%)被分类为11个细菌门和2个古门。只有153个OTU被分配给真核生物，其余243个OTU未被分类分配。在所有沉积物样品的序列库中，前三位和十位最丰富的门分别占> 58％和> 88％。测序库中最丰富的OTU属于Thaumarchaeota，它代表前十个OTU中的七个（图S9）。总体而言，Thaumarchaeota（平均23.8％）是最丰富的门系，其次是Proteobacteria（23.7％），Planctomycetes（10.6％），Chloroflexi（9.6％），Bacteroidetes（8.0％），Nanoarchaeaeota（6.2％），Acidobacteria（2.5％）和Ca. Marinimicrobia（1.7％）（图5）。尽管在每个沉积物核心的子样本中共有优势门，但它们的相对丰度随着沉积深度而逐渐变化（图5）。在更深的部分（例如IO1-2中> 8 cmbsf，IOC-2中> 2.5 cmbsf），Chloroflexi,Woesearchaeota, Marinimicrobia的相对丰度通常会增加，同时氧气和硝酸盐浓度会逐渐降低（图2）。相反，在较浅的部分（例如，IO1-2中的0-7 cmbsf和MC-2中的0-22 cmbsf），Proteobacteria和 Thaumarchaeota占主导地位。这些趋势与以前的研究相似，可能取决于沉积物中溶解氧和硝酸盐的浓度。我们还观察到了可能与地理位置相关的原核生物群落中的一些显着差异。在JC站观察到不同的群落组成；拟杆菌属在社区中占主导地位（平均33.7％），而伞菌属相对稀少（4.1％）。在拟杆菌属中，黄杆菌科（属于黄杆菌属）是最丰富的科。 JC站中富集的黄杆菌OTU与黄杆菌科的相似性很低（88.0–91.4％）。 PRS1，其基因组是通过单细胞技术从马里亚纳海沟水样品中重建的。因为据报道黄杆菌属的成员在富营养化海洋中含量很高，所以我们的结果可能反映了日本海沟中的富营养化生产力。
图5 门水平级序列的相对丰度。丰度<5％的组概括为“其他”。沉积物样本从深的沉积物层（> 50 cmbsf）中获取的数据由周围的黑色矩形表示。
6 OTU的共网络结构分析
共现网络分析显示了六个群集，这些群集由3–36个OTU（总共66个OTU）和2–247个边缘组成（图6）。 66个OTU平均代表每个样本中社区组成的23.6％。有趣的是，大多数子网与海洋学分区（即深渊和沉积区）和沉积深度有关（图7和补充数据3）;通过伊豆小笠原海沟和马里亚纳海沟在深海沉积物中大量发现了属于最大A组的OTU（由两个亚组A-1和A-2组成），而其他组中的大量OTU在浅滩沉积物中较高（即， B组低于10 cmbsf，C组浅层（0–30 cmbsf），D组高于6 cmbsf）。 E和F组的成员都是从深渊和沉积区中检测到的。尽管C组和F组的OTU分布在三个沟槽中，但B，D和E组的OTU在日本海沟中却很少见。 A组和D组由Nitrosopumilales的OTU主导（图S12）。Nitrosopumilales被认为是好氧硝化细菌，这些OTU的含量与沉积物中的高氧和硝酸盐浓度一致（图2）。 D组的OTU属于一个小分支，而A组的OTU则遍及整个网络。AOA亚基的生态位分离受电子供体（如氨）的可用性调节。支持这一观点的是，D组的优势(在沉积区样品中，在Thaumarchaeota中高达78.1%)与沉积区沉积物中不稳定OM的富集是一致的。有趣的是，B组由13个OTU组成，这些OTU属于5个门（Planctomycetes，Atribacteria，Chloroflexi，Bacteroidetes和Ca. Aerophobetes），并且在氧气和硝酸盐被耗尽的较深部分，OTU丰富（图2）。所有13个OTU与未培养的谱系都显示出最高的序列相似性，其中大多数是在低氧浓度的厌氧环境中发现的。农杆菌参与发酵代谢，产生乙酸，氢和二氧化碳。所有三个Chloroflexi OTU均属于Dehalococcoidia类，该类常见于海底沉积物中，并具有与氢和硫化合物氧化以及卤代有机化合物的还原脱卤有关的基因。值得注意的是，MSBL9和Dehalococcoidia具有在海洋沉积物中黄酮分泌的潜力，这意味着这些谱系也有助于维持沉积区沉积物中的细胞外代谢物库。单个拟杆菌OTU属于BD2-2类，它可能与甲烷渗透沉积物中的甲烷营养细菌和减少硫酸盐的细菌相互作用。尽管对B组OTU的知识仍然有限，但它们可以合作建立厌氧代谢网络。总体而言，网络结构分析突出显示了原核生物群落与地球化学条件（地貌分区和沉积深度）之间的关联。尽管需要进一步的实验验证，但这些联合体的一部分可能代表了潜在的代谢相互作用与栖息地的转变。另外，联合体结构在西北太平洋的海沟中很普遍。尽管三类（B，C和D）在沉积区沉积物中有选择地丰富，但只有一组（A）在深渊沉积物中表现出较高的偏好（图7）。。
图6 共现OTU网络分析。结构节点代表OTU，边(蓝线)代表每个OTU对的统计显著正相关。节点的大小代表了数据集中OTU的相对丰度。节点按分类在门水平上进行着色。
图7 气泡图显示了各共现网络的OTU对比。气泡由采样点着色，气泡大小与相对丰度相对应。白色和灰色的背景分别代表深海和海底沉积物样品。右侧的A到F表示图6中总结的共现网络组。带星号的OTU表示在深海或沉积区样本中定位的统计学意义(p < 0.05, u检验，Bonferroni校正)。
讨论
在这里，我们对在不同海洋背景下从三个不同的沟渠系统收集的深海平原和哈达尔沟底沉积物中的跨海原核生物群落进行了与文化无关的分子分析，以了解哈达尔环境在地下地球化学循环和微生物生态系统中的一般作用。微生物细胞的丰度显示，在海底沉积物中，深海沉积物中的生物量更大，特别是在深层沉积物中，这与以前的研究一致。虽然我们不能排除水压对底栖微生物的影响，但在地球化学和浅滩沉积物微生物群落之间的明确关系很可能表明与地貌相关的因素比水压更重要。总体而言，微生物组成表明原核生物群落的发展取决于海洋地貌学区划，地理区域性以及与沉积深度有关的因素。
我们还观察到了海底和深海沉积物之间微生物群落多样性在垂直方向上的不同波动，并确定了潜在的原核生物财团分布在沟间栖息地之间，并且可能在海底和海底沉积物中共享节能的代谢过程。通常，OM的沉积和地下微生物细胞的丰度与海洋表层的生产力以及与大陆或岛屿的距离有关。在我们的深渊位置，与马里亚纳海沟地区相比，在伊豆小笠原海沟观察到更大的微生物细胞丰度和耗氧量（图2和图3）。然而，这两个区域之间的微生物组成和某些地球化学参数（硝酸盐，TOC和TN）出乎意料地相似，这表明在贫营养到超贫营养的海洋下，深海平原对地下生产力的影响远小于深海平原的预期。在沉积区站点中，我们发现了地球化学参数，细胞丰度和微生物组成以及表面生产力的变化。深海沉积物和海底沉积物之间的差异不仅可以通过受海洋表面生产力影响的下沉有机颗粒的垂直通量来解释。
为了解释这些变化，我们有两个假设：
① 其中之一是存在强流，除了从海面直接下沉的流以外，它还可以在强流站点上提供固有的OM。
② 另一个是海底和深海站点之间的沉积速率差异，这改变了海洋表面生产力对地下微生物的影响。
海沟侧移是除OM沉降外的海底沉积物中OM的可能来源之一。伊豆小笠原海沟和日本海沟沿海沟轴分别有向北和向南的海流。这些海流可能有助于从北向南输送OM含量相对较高的悬浮颗粒。沉积区之间TOC值的部分纬度梯度（图S1）可以通过这种侧向OM供应来解释，也可以用底层细菌群落来解释，而该底栖微生物种群更喜欢以土壤杆菌为代表的富营养海洋下的地下生态系统（图5）。但是，我们找不到清晰的地球化学特征来支持沿沟渠的OM输送。同样，这样的水流可能有助于微生物的扩散，从而日益重要，以阐明深海和海底地区的水流。
评论
深海平原从大陆斜坡延伸到深沟的边缘，覆盖了全球海底面积的85％，而海底带则占1-2％。通常，深海水和沉积物通常是贫营养的，尽管静水压力较高，但咸水中的物理和化学条件（例如盐度，温度，溶解氧和营养物浓度）与上覆深海水相似。然而，与表层以下的深海平原沉积物相比，在海底沟槽底部的细胞丰度和微生物碳转化率要高得多，而在最外层的沉积物有时在海底和深海位置之间具有可比性。可以推测这是由于除了从海面下沉的有机物（OM）的垂直向下通量和静水压力以外的因素。海底沉积区通常位于通过海床板块的运动沿板块边界形成的海沟中，因此会经历周期性和/或规则的滑坡。这些滑坡通过沟渠地貌的漏斗效应使表层沉积物与相对较新的OM一起向下输送。此外，在多个沟渠区域，与邻近的深海平原沉积物相比，在海底沟渠底部沉积物中的沉积速率和海底有机化合物浓度更高。在富营养化和富营养化的海洋之下。因此，在高沉积支持下的沉积区中不稳定的有机碳沉积被认为有利于建立在全球范围内观察到的独特的动物和原核生物群落。但是，尚没有研究过海沟底部和邻近深渊沉积物的地球化学与微生物组成之间的关系。
作者评估了西北太平洋14个沉积核心的92个沉积物子样本中的原核生物群落结构，这些沉积物样本取自西北太平洋3个海沟的4个海底海沟底部和7个相邻的深渊平原站点。日本海沟和马里亚纳海沟分别位于富营养化和贫营养化的海洋之下，而伊豆小笠原海沟之上的海洋的主要生产力则表现出中间特征。本文进行了沉积物的地球化学分析和不依赖培养物的微生物分析，包括直接细胞计数，定量聚合酶链反应（qPCR）和小亚基核糖体RNA（SSU rRNA）基因的标签测序，以研究原核生物的沟内和沟内多样性。联合体和潜在的代谢相互作用使用共现网络。阐明了独特的原核生物组合，它们在每个深海和海底带的海沟中传播，从而为了解最深的水生生境之一的深海微生物生态学提供了新见解。
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