Der globale Meeresboden ist reich an polymetallischen Knollenvorkommen. Da sie reich an einer Vielzahl strategischer Metalle sind, gelten sie heute als die Art von Meeresbodenvorkommen mit dem größten Entwicklungspotenzial. Diese Ressourcen kommen hauptsächlich in den Tiefseeebenen in Wassertiefen von 4.000 bis 6.000 Metern vor, im Allgemeinen weit vom Land entfernt und mit sehr geringer Produktivität. Im letzten halben Jahrhundert haben wissenschaftliche Organisationen und Teams aus vielen Ländern und Regionen Auswirkungsuntersuchungen und experimentelle Studien durchgeführt, um die Auswirkungen und die Erholung benthischer Organismen, insbesondere makrobenthischer Organismen, als Reaktion auf die Umweltschäden, die durch den Tiefseebergbau verursacht werden können, zu überwachen und zu bewerten. Im Gegensatz dazu sind Mikroorganismen, die in der Umgebung von Metallknollenvorkommen leben, extremen Umweltbedingungen wie Schwermetallen, Oligotrophie, hohem Druck und niedrigen Temperaturen ausgesetzt, und es wurden nur wenige Studien zu den Mechanismen der mikrobiellen Anpassung an die Umgebung von Metallknollenvorkommen sowie zu ihrer Vielfalt und Stoffwechselkapazität durchgeführt.
Die Umweltauswirkungen des Tiefseebergbaus sind ein Thema von großer Bedeutung. Derzeit fördert die Internationale Meeresbodenbehörde (ISA) aktiv regionale Umweltmanagementpläne (REMPs). Das erste REMP-Gebiet ist die Clarion-Clipperton-Bruchzone (CC-Zone) im östlichen Pazifik, die darauf abzielt, die Artenvielfalt und die Ökosystemfunktionen im Zielgebiet für den Tiefseeknollenbergbau im Pazifik zu schützen. Das Institut für Ozeanographie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IOCS) hat in Zusammenarbeit mit dem Zweiten Institut für Ozeanographie des Ministeriums für natürliche Ressourcen (MNR) und der Huazhong Agricultural University (HUAU) die Stoffwechselkapazität von Mikroorganismen in Manganknollensedimenten in der CCZ systematisch untersucht. Kürzlich wurden die entsprechenden Forschungsergebnisse in Microbiome veröffentlicht. Die Studie rekonstruierte 179 hochwertige Genome (MAGs) und kategorisierte sie durch tiefe Makrogenomsequenzierung von Manganknollensedimentproben in 21 Bakterienstämme und einen Archaeenstamm. Die Studie entschlüsselte die funktionellen Gene der MAGs und lieferte Belege für die Rolle verschiedener Mikroorganismen im Metall-, Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf. Die Studie kann wichtige wissenschaftliche Unterstützung für den regionalen Umweltmanagementplan der Internationalen Meeresbodenbehörde sowie für die Entwicklung nationaler polymetallischer Knollenressourcen und die Umweltsanierung liefern.
Die Studie zeigt, dass heterotrophe und chemoenergetische autotrophe Mikroorganismen in diesen metallreichen Sedimentumgebungen Resistenzmechanismen gegen Schwermetalle entwickelt haben, hauptsächlich durch enzymkatalysierte Metallredoxreaktionen (Mangan, Chrom und Quecksilber), durch Membrantransportproteine vermittelten Metalltransport (Blei) und synergistische Wechselwirkungen dieser beiden Metalle (Arsen und Kupfer). Eisen und Mangan sind die beiden am häufigsten in Sedimentumgebungen vorkommenden Metalle; Eisen kann von Mikroorganismen in Form von Fe(III) als extrazellulärer Elektronenakzeptor in der Elektronentransportkette verwendet werden, und Mangan oxidierende Mikroorganismen oxidieren Mangan(II) hauptsächlich zu Mangan(III) oder Mangan(IV), wobei der Transport von Manganionen geringer ist. Dies unterstreicht die Bedeutung dieser Oxidationsreaktion für Mikroorganismen, um in energiebegrenzten Systemen überleben zu können. Es wurde festgestellt, dass fünf chemoenergetische autotrophe Mikroorganismen des Stammes Thaumarchaeota oder des Stammes Nitrospirota über eine potentielle Manganoxidationskapazität verfügen. Und die Entdeckung einer großen Anzahl von Metalloxidoreduktasegenen, darunter Mn(II)-Oxidase, Fe(III)-Reduktase, Cr(IV)-Reduktase, As(III)-Oxidase und Hg(II)-Reduktase, stellt eine wichtige genetische Ressource für potentielle Anwendungen in der Schwermetallbioremediation dar.
Es wurde festgestellt, dass Mikroorganismen neben Sauerstoff und Fe(III) hauptsächlich Nitrat als Elektronenakzeptor nutzen, um durch die Oxidation von Metall- und Schwefelverbindungen Energie zu gewinnen. Nitrat wird größtenteils zu Stickoxid reduziert und ins Meerwasser abgegeben. Darüber hinaus wiesen Mikroorganismen mit diversen Carbohydrasen (CAZymes) keine höhere Gemeinschaftsdichte auf. Eine Funktionsanalyse der dominanten Mikroorganismen in der Studie zeigte, dass sie einen höheren Anteil funktioneller Gene im Zusammenhang mit dem Metall-, Stickstoff- und Schwefelstoffwechsel trugen, während der Anteil der CAZymes niedriger war. Somit ist die Nutzung anorganischer Nährstoffe (und nicht des Stoffwechsels organischer Nährstoffe) zur Energiegewinnung durch Redoxreaktionen die wichtigste Anpassungsstrategie für Mikroorganismen, um ihr Überleben in Manganknollensedimenten zu sichern. Auf Grundlage der obigen Studie schlugen die Forscher ein Modell der mikrobiellen Ökologie in Sedimenten von Manganknollengebieten vor.
Die Forschungsarbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China und dem Strategic Pilot Science and Technology Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt.
Stoffwechselfunktionen dominanter mikrobieller Taxa in Sedimenten aus der Tiefsee-Manganknollenprovinz
