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全球海洋微生物群的生物合成潜力

文章名：Biosynthetic potential of the global ocean microbiome

发表期刊：Nature

影响因子：69.504

研究背景:

本研究首先整合通过培养与非培养方法获得的海洋微生物基因组，建立了一个广泛的系统基因组和基因功能数据库。通过对该数据库的挖掘，发现了不同的生物合成基因簇（BGCs，biosynthetic gene clusters），其中大多数来自于尚未被表征的基因簇家族（GCFs，gene cluster families）。研究进一步鉴定了一个此前未知的基因家族，该家族的BGCs多样性是目前已知的海洋微生物中最高的，研究选取了两种核糖体合成与翻译后修饰多肽（RiPP，ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides）途径，功能表征后发现了全新的酶学机制和结构独特的蛋白酶抑制性化合物。

图1 全球范围的MAGs重建填补了海洋系统基因组多样性的空白

海洋沉积物中微生物群落的全球多样性

文章名：Global diversity of microbial communities in marine sediment

发表期刊：PNAS

影响因子：12.779

研究背景：

在这项研究中，使用精确控制方法分析了来自世界各地的 299 个海洋沉积物样本中的微生物多样性。研究结果表明，海洋沉积物中的微生物群落包括两个主要的微生物群，一个是厌氧的，另一个是好氧的。海洋沉积物的多样性随着沉积物深度的增加而减少。古细菌的下降速度通常低于细菌。尽管古细菌多样性随深度的下降速率较低，但细菌多样性在沉积物中的每个深度都超过了古细菌的多样性。在五个 ASV-面积关系模型中，渐近模型最能描述我们的数据，预测海洋沉积物中的总 ASV 为古生菌 7.85 × 10³ 和细菌 3.28 × 10⁴。海洋沉积物、表土和海水微生物群落的比较分析表明，每个生物群落都包含一个明显不同的群落，但全球微生物丰富度水平大致相似。这一结果表明，在地球的全球生物圈中，细菌比古细菌更加多样化。

图2 比较海洋沉积物、海水和表层土壤的微生物群落组成

一种模仿海洋微生物生态系统结构的微型仿生海洋电池

文章名：A miniaturized bionic ocean-battery mimicking the structure of marine microbial ecosystems

发表期刊：nature communications

影响因子：17.694

研究背景：

该研究通过模拟海洋微生物生态系统的基本结构，制造了一个由四菌合成微生物群落构成的生物太阳能电池。证明了由初级生产者、初级分解者和最终消费者组成的微生物生态系统结构对于实现高功率输出和维持系统稳定性至关重要。进一步地，通过开发导电水凝胶作为沉积物样厌氧基质，四菌微生物群落被组装到一个时空压缩的海洋电池结构中，形成小型化仿生海洋电池，可直接将光能转化为电能，并稳定运行1个月以上。该仿生海洋电池再现了海洋微生物生态系统的光电转化功能，同时克服了海洋生态系统中电子传递缓慢和网络状的问题，展现出合成微生物生态学的生物技术潜力。

图3 海洋微生物生态系统与合成微生物群落

快速的代谢促进微生物在深层、炎热的海底生物圈中生存

文章名：Rapid metabolism fosters microbial survival in the deep, hot subseafloor biosphere

发表期刊：nature communications

影响因子：17.694

研究背景：

全球海底沉积物量的四分之一被埋在温度超过80°C的深度，这是之前提出的地下生命的热屏障。在这里，我们利用一系列广泛的放射性示踪实验，证明了南开海槽俯冲带深埋的海洋沉积物中活性产甲烷和硫酸盐还原物的流行情况，这些产甲烷种群被加热到极端温度（高达~120°C）。较小的微生物群落以高潜在的细胞特异性能量代谢速率组成，这接近于活性表面沉积物和实验室培养的速率。我们的发现与在海底深处观察到的极低的代谢率形成了鲜明的对比。细胞似乎投资大部分的能量来修复热细胞损伤的沉积物，他们被迫微妙地平衡生存接近生命上限和丰富的基质和能量的热驱动反应的沉积有机物。

图4 IODP Site C0023沉积物中的温度、生物地球化学、细胞计数和厌氧微生物过程

深海微生物群落可促进MCP效率

文章名：Deep ocean microbial communities produce more stable dissolved organic matter through the succession of rare prokaryotes

发表期刊：Science Advances

影响因子：14.957

研究背景：

微生物碳泵（MCP）假说认为，原核生物对不稳定的溶解性有机碳（DOC）的连续转化产生了难降解的DOC（RDOC），有助于深海DOC库的长期稳定性。我们通过将来自海洋深对流区的地表水暴露于中上层、中上层和深海原核生物群落来测试MCP，并跟踪溶解有机物浓度、组成和原核生物类群随时间的变化。来自深海的原核生物类群在消耗DOC和产生RDOC方面更有效，这可以通过大量的高含氧分子和与顽固性分子相关的荧光组分得到证明。这是自然水域中MCP的第一个经验证据表明，在深水中固碳更有效，并表明来自稀有生物圈的原核生物多样性在创造这些稳定的溶解有机化合物方面具有更大的代谢潜力。

图5 原核生物群落和稀有原核生物类群组成的时间序列变化

海洋微生物群落对芳香族-脂肪族共聚酯塑料的协同生物降解

文章名：Synergistic biodegradation of aromatic-aliphatic copolyester plastic by a marine microbial consortium

发表期刊：nature communications

影响因子：17.694

研究背景：

海洋微生物对合成聚合物的降解不如土壤和堆肥中塑料的降解更容易理解。在这里，我们使用宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学来研究海洋微生物富集培养物对芳香-脂肪族共聚酯混合物的生物降解。该培养物可以利用塑料薄膜作为唯一的碳源，在大约15天内达到最大的转化为二氧化碳和生物量。该联盟协同降解聚合物，由不同的群落成员执行不同的降解步骤。我们鉴定了六种推测的petase样酶和四种推测的mhetase样酶，它们分别具有降解脂肪族芳香族聚合物及其降解产物的潜力。我们的研究结果表明，虽然有多个基因和生物体具有执行每个降解步骤的潜力，但只有少数基因在生物降解过程中是活跃的。

图6 Bins分析

不同预处理方法对印度喜马拉雅高海拔湖泊沉积物微塑料的变化

文章名：Variation of microplastics in the shore sediment of high-altitude lakes of the Indian Himalaya using different pretreatment methods

发表期刊：Science of the Total Environment

影响因子：10.753

研究背景：

微塑料污染是一个日益严重的环境问题。然而，在高海拔偏远湖泊中进行的微塑料研究却很少。本研究对印度喜马拉雅山脉拉达克的三个高海拔湖泊、索莫里里湖和索卡尔湖的海岸沉积物进行了微塑料污染评估。2019年8月对湖泊海岸沉积物进行了采样。对来自同一地点的沉积物样品进行了两种不同的预处理方法，得到了两组样品。一组样品用酶降解和Fenton反应进行预处理。另一组来自相同位置的样品分别用30 %过氧化氢（过氧化氢）和Fenton反应进行预处理。酶预处理样品的微塑料浓度高于过氧化氢预处理样品，这表明沉积物样品中的微塑料浓度也存在差异，预处理过程可能会影响报告的微塑料浓度。考虑到这两组样品，潘贡湖的微塑料浓度为160-1000MP/kgdw，索莫里里湖为960-3800MP/kgdw，索卡尔湖为160-1000MP/kgdw。基于检测限和定量限的空白校正表明，所研究湖泊中某些部位的微塑料浓度高于检测限和定量限。这项研究的结果表明，印度喜马拉雅地区的湖泊被微塑料污染了。此外，使用不同预处理方法的微塑料的比较说明了协调微塑料研究的重要性，以使微塑料数据之间能够进行可靠的比较。因此，本研究有助于评估印度喜马拉雅山高海拔湖泊中的微塑料。这些发现有助于更清楚地了解协调预处理方法的必要性，并证明了在微塑料研究中报告完整信息的重要性。

图7 试验流程

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参考文献：

[1] Paoli L, Ruscheweyh H J, Forneris C C, et al. Biosynthetic potential of the global ocean microbiome[J]. Nature, 2022, 607(7917): 111-118.

[2] Hoshino T, Doi H, Uramoto G I, et al. Global diversity of microbial communities in marine sediment[J]. Proceedings of the national academy of sciences, 2020, 117(44): 27587-27597.

[3] Zhu H, Xu L, Luan G, et al. A miniaturized bionic ocean-battery mimicking the structure of marine microbial ecosystems[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 1-14.

[4] Beulig F, Schubert F, Adhikari R R, et al. Rapid metabolism fosters microbial survival in the deep, hot subseafloor biosphere[J]. Nature communications, 2022, 13(1): 1-9.

[5] LaBrie R, Péquin B, Fortin St-Gelais N, et al. Deep ocean microbial communities produce more stable dissolved organic matter through the succession of rare prokaryotes[J]. Science Advances, 2022, 8(27): eabn0035.

[6] Meyer-Cifuentes I E, Werner J, Jehmlich N, et al. Synergistic biodegradation of aromatic-aliphatic copolyester plastic by a marine microbial consortium[J]. Nature communications, 2020, 11(1): 1-13.

[7] Tsering T, Sillanpää M, Viitala M, et al. Variation of microplastics in the shore sediment of high-altitude lakes of the Indian Himalaya using different pretreatment methods[J]. Science of the Total Environment, 2022, 849: 157870.