深海作为海洋系统的最重要组成部分,是世界上最大的生态单位,具有物理化学性质迥异、地质作用不同的各种极端环境。近年来在冷泉、热液系统中的微生物类群、生物地球化学过程等研究取得了长足进展,极大地增加了人们对深海极端环境的了解。热液Root biomass和冷泉是现代深海环境中两个重要的极端系统,它们均是岩石圈与外部圈层之间进行物质、能量转移和交换的重要途径,它们之间既有显著差异,但也存在很多相似点。由于热液羽流可以使海洋沉积物的环境条件在时空尺度上发生快速变化,尤其是营养元素和金属元素含量随着距热液喷口的距离形成显著的梯度变化,并且影响沉积物中微生物的组成以及能量代谢途径。如果冷泉系统与热液系统在空间上相隔较近,并处在热液羽流的潜在影响范围内,那么两者理论上就可能会存在物质和能量上的交流,进而影响微生物群落结构以及微生物介导的地球化学循环。因此,将冷泉和热液系统同时纳入海底极端环境系统进行考虑,从更加广阔的视角开展冷泉-热液共存系统中的微生物群落特征、微生物介导的生物地球化学循环等研究,对全面了解深海沉积物生物圈的物质循环和能量流动具有重要意义,有望加深对深海极端环境与微生物生态的认识。基于此,本论文以孕育了大量繁盛的热液和冷泉活动的冲绳海槽为研究对象,依托“海洋地质九号”科学综合考察船对冲绳海槽南庵西热液区和西侧陆坡冷泉区(两者之间直线距离约50公里)进行了系统采样。借助16S rDNA扩增子高通量测序及宏基因组测序技术,对冷泉-热液系统共存区沉积物中的微生物群落及其介导的地球化学元素循环进行了分析讨论,取得了如下进展:一、海底甲烷渗漏程度显著影响微生物群落的组成。冲绳海槽西侧陆坡冷泉区沉积物中,甲烷厌氧氧化古菌呈现出高度的多样性,并与硫酸盐还原菌主导着海底渗漏甲烷的厌氧氧化作用;嗜热微生物类群的发现暗示着冷泉与热液系统的微生物可能存在交流。Chao1、ACE、Shannon和Simpson等微生物多样性指数显示样品中细菌和古菌在高甲烷渗漏强度区的丰富度和多样性要高于低甲烷渗漏强度区。根据沉积物中微生物优势类群和周围环境特征可以评估甲烷通量的高低及冷泉发育阶段,其中,低通量甲烷扩散环境中,硫酸盐-甲烷转换带(Sulfate-methane transition zone,SMTZ)较深,在SMTZ之上的沉积物中以微生物介导的有机质降解过程为主;在冷泉发育成熟期(R6-C2位点,甲烷渗漏速率1475 mmol m~(-2) yr~(-1)),有机质会大量累积;之后,随着甲烷渗漏强度逐渐降低,沉积物中有机质的含量会渐渐降低,冷泉开始进入消亡期(初始期;R5-C1位点,甲烷渗漏速率515 mmol m~(-2)yr~(-1))。而在断层区域或泥火山处甲烷具有很大的通量时,部分甲烷会穿过海底沉积物直接进入海水层。在高通量甲烷冒泡环境中,SMTZ往往非常浅,沉积物中以甲烷厌氧氧化作用(Anaerobic methane oxidation,AOM)为主,冷泉正处于活跃期。甲烷厌氧氧化古菌(Anaerobic methanotroph,ANME)、δ-变形菌和ε-变形菌在高甲烷渗漏强度的沉积物(R6-C3位点,甲烷渗漏速率6450 mmol m~(-2) yr~(-1))中占相对优势并且具有丰富的多样性。具体体现为目前所有已知的ANME古菌类型在冲绳海槽西侧陆坡冷泉区沉积物中均被发现,包括ANME-1b(相对丰度为古菌群落的67%)、ANME-2c(8%)、ANME-1a(7%)、ANME-2b(3%)、ANME-2a(2%)和ANME-3(1%)。通常来说,ANME古菌类群具有各自的生态位,其在同一取样位点中共存的现象为国内外首次报道,符合海底冷泉-热液系统共存特殊环境条件的推论。此外,嗜热微生物在冷泉区沉积物中被检测到,极有可能是通过流体循环来源于相邻的热液系统。总之,这些结果指示了冲绳海槽冷泉与热液系统之间的耦合或相互作用。二、海洋沉积物微生物群落组成及功能在冲绳海槽冷泉-热液系统共存区不同站位的分布具有生境特异性。热流值高的海底断裂带沉积物中嗜热微生物相对丰度增高;邻近热液区,微生物介导的氮循环过程显著富集,而靠近冷泉区,硫酸盐还原作用较强。表明冷泉及热液活动均是海洋沉积物中微生物介导的生物地球化学循环的重要物质来源。在冲绳海槽冷泉-热液系统共存区5个站位(GC-2,-4,-5,-6,-8)次表层沉积物样品中,细菌丰度较高、古菌较低。宏基因组微生物群落中相对丰度较高的分类单元依次为δ-变形菌、α-变形菌和γ-变形菌,且在不同站位具有差异分布特性。在GC-2站位(位于冲绳海槽西侧陆坡冷泉区)中主要的微生物类群为硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB)。因深海沉积物-水界面高硫酸盐的特性及其厌氧环境,丰富的硫酸盐还原菌及其较强的代谢能力促进了硫元素的快速循环。GC-6站位位于海底断裂区,因而具有较高的热流值,其沉积物中嗜热微生物的相对丰度要高于其他站位。而邻近热液区(GC-8站位)沉积物中微生物群落结构主要受到环境因子NO_2~-(0.0023 mg/L)和砂质含量(16.5%,“渗漏型”沉积物)的影响,主导微生物类群有α-变形菌和浮霉菌,以氧化低价硫化合物和厌氧氨氧化为主要代谢类型。此外,通过微生物功能基因分析发现,在“渗漏型”海洋沉积物有氧-厌氧界面,氨氧化、硫氧化耦合硝酸盐还原等过程促进了氮元素的循环。Candidatus Methylomirabilis oxyfera具有独特的亚硝酸盐驱动的甲烷氧化能力,也分布于此沉积物层,利用环境中的NO_2~-和甲烷。冲绳海槽紧靠东海陆架,海槽内堆积了较厚的富有机质的第四纪沉积层。因此热液流体中携带有大量还原性的物质(铵、硫化物、金属离子)与周围氧化的冰冷的海水相互混合,可以形成几百米到几千米的热液羽流。来源于热液流体外源物质的输入对于沉积物中微生物的群落结构及其介导的元素循环过程具有重要影响。三、海底冷泉、热液流体相互作用影响了金属依赖型甲烷厌氧氧化作用的发生。冲绳海槽冷泉-热液共存体系为海洋元素循环耦合过程提供了很好的模型。在厌氧的海洋沉积物中,硫酸盐(SO_4~(2-))是AOM主要的电子受体(硫酸盐依赖型甲烷厌氧氧化,Sulfate-AOM),并且大部分甲烷会在SMTZ被拦截。但是在活跃冷泉区,表层沉积INCB28060纯度物中甲烷的浓度仍然较高(GC-2站位,353μL/L)。GC-2站位沉积物中除了存在大量SRB外,还检测到了许多铁还原菌(例如Geobacter)。而且,通过对冲绳海槽冷泉-热液系统共存区沉积物中Emricasan研究购买金属组分、热液来源铁比率(f_(hydrothermal))等的检测和计算,可以初步确认从弧后盆地扩张中心经热液羽流携带的活性金属物质,能够进入到西侧陆坡冷泉区。同时,西侧陆坡冷泉区流体不断向上运移,在沉积物SMTZ带,冷泉流体中的甲烷和正常向下扩散的硫酸盐发生Sulfate-AOM,但由于又有大量的热液铁氧化物加入,则可能同时发生铁依赖型甲烷厌氧氧化(Fe-AOM)。总之,由于冲绳海槽半封闭的地形特征以及冷泉和热液系统的独特共存,来源于扩张中心的热液羽流为其覆盖的冷泉区沉积物提供了额外的能源和营养元素,并通过生物地球化学循环耦合将两个生态系统有机地联系起来。海洋沉积物中微生物介导的甲烷的生成氧化对于海底甲烷的存储、转化或释放,乃至对全球碳循环都有巨大的影响,而冲绳海槽冷泉-热液系统共存体系为研究探索特殊的代谢类型提供了很好的模型。研究结果为全面了解冲绳海槽热液-冷泉共存系统极端环境中微生物群落及其参与的生物地球化学循环提供了科学证据,海底冷泉-热液流体相互作用概念模型对深部生物圈中的物质来源和能量流动具有重要科学理论意义。