原文来源：Arribas Tiemblo M, Azua-Bustos A, Sánchez-España J, et al., 2026. Carbon, nitrogen, and sulfur cycling unveil deep-sea microbial niches in the Atacama Trench. Nature Communications, 17, 4606.
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70869-3.
研究背景与科学问题
深海沉积物中的微生物群落驱动着全球碳、氮、硫的生物地球化学循环，但南半球，特别是阿塔卡马海沟（秘鲁-智利海沟）区域的深海底栖微生物物种组成与代谢功能仍缺乏系统性认识。该海沟由纳斯卡板块向南美洲板块俯冲形成，最深处超过8000米，紧邻地球上最干旱的阿塔卡马沙漠，独特的地质与气候背景可能孕育了特殊微生物生态系统。在典型深海沉积物中，异养微生物主要依赖“海洋雪”等沉降有机物，氮循环由氨氧化古菌驱动；而冷泉等局部区域因深部流体释放硫化氢、甲烷等还原性化合物，可形成以化能自养型微生物（如Beggiatoaceae菌席和囊蛤共生体）为基础的特殊生态系统，其能量来源和元素循环路径与普通深海沉积物截然不同。然而，沿太平洋东海岸已发现的多处冷泉多集中于北半球或高纬度地区，智利北部至秘鲁南部俯冲带区域已知冷泉分布极为稀少，该区域深海底栖微生物群落是否以普通异养代谢为主，抑或存在潜在的化能自养型冷泉生态位，其碳-氮-硫循环是否具有独特性，尚不明确。因此，系统研究该区域微生物活性代谢途径，查明是否存在不同于普通深海背景的化能自养生态系统，对于填补南半球深海微生物生态研究空白、深入理解俯冲带边缘海底碳-氮-硫耦合循环机制具有重要意义。
科学内涵
研究思路：为揭示阿塔卡马海沟附近深海底栖微生物群落的物种组成和代谢功能，并探究该区域是否存在独特的化能自养型生态系统（如冷泉），本研究依托施密特海洋研究所的“阿塔卡马海沟活化石”科考航次，利用ROV（遥控无人潜水器）在智利安托法加斯塔港外海30-40公里的三个主要站位（水深2400至4500米）采集了沉积物岩心。研究团队对沉积物样本进行了详细的矿物学、地球化学、显微结构分析，并重点对7个高质量样本开展了宏转录组学测序（图1）。通过整合分类学、功能基因表达和生物信息学统计分析，揭示了不同沉积物中微生物群落的结构、活性代谢通路及其与地球化学环境的关联。
图1 阿塔卡马海沟采样站位及底栖生物群落。（A）沿阿塔卡马海沟脊线分布的采样站位水深图。（B）沉积物岩心取样流程。（C）S9.2位点附近观测到的细菌菌席。（D）黑白相间的微生物席。（E）S9.2位点与渗漏相关结构伴生的囊蛤床。
核心发现
1) 在绝大多数采样站位（Sites 6，7，9，9.1）的背景深海沉积环境中，沉积物以碎屑硅酸盐和生物碎屑（硅藻）为主，微生物以异养γ-变形菌（Pseudomonas）和氨氧化古菌（Nitrososphaerota）为优势类群（图2），功能上依赖海洋雪降解进行碳、氮循环，由古菌硝化（amoA-C）和微生物异化硝酸盐还原（nirK，narG/H）共同驱动；S9.2位点则呈现深色沉积物、白色菌席和囊蛤床，指示冷泉型生态环境。
图2 海洋沉积物样品在超界与门分类水平下的微生物群落组成。（A）超界分类水平下各类群的相对丰度。（B）全部微生物在门分类水平下各类群的相对丰度。（C）细菌群落的门水平物种组成。（D）古菌群落的门水平物种组成。本图数据涵盖 4 份表层沉积物样品（0–6 cm），以及 9.2 号冷泉点位的 3 份样品：微生物席样品（S9.2_10）、表层沉积物样品（S9.2_6）、次表层沉积物样品（S9.2_6–6.12）。
2) S9.2位点表层发育自生白云石晶体，亚表层（>3 cm）富集黄铁矿，两者分别与甲烷厌氧氧化（AOM）驱动的碳酸盐沉淀和硫酸盐还原作用相关，但宏转录组显示AOM关键基因（mcrA）和ANME古菌（ANME-1，-2，-3）几乎缺失，甲烷氧化基因（mer）下调（图3），而硫氧化（SOX系统：soxYZ， soxAX， soxB）和硫酸盐还原（dsrA/B，aprA/B）基因高度表达（图4），表明能量来源以还原性硫化物为主导，属硫驱动型、流体活动微弱的冷泉。
图3 参与碳循环与氮循环相关基因的表达丰度，表达量单位为每百万转录本（TPM）。（A）碳循环相关功能基因。（B）氮循环相关功能基因。本图数据涵盖 4 份普通海洋表层沉积物样品（0–6 cm），以及 9.2 号冷泉点位的 3 组样品：微生物席、表层沉积物（0–6 cm）、次表层深部沉积物（6–12 cm）。
图4 参与硫循环、趋化作用、运动能力及微生物增殖相关基因的丰度，表达量以每百万转录本（TPM）为单位。（A）硫循环相关功能基因。（B）趋化、运动与生长增殖相关功能基因。本图数据包含 4 份普通海洋表层沉积物样品（0–6 cm），以及 9.2 冷泉点位的 3 组样品：微生物席、表层沉积物（0–6 cm）、次表层深部沉积物（6–12 cm）。
3) 沉积物深度梯度驱动了微生物群落与代谢的剧烈转变：在S9.2位点，仅6-12 cm深度变化即引发显著分异（图5）。表层（0-6 cm）为兼性区，兼具异养代谢和还原性硫的化能自养（卡尔文循环，rbcL），硫氧化菌席高度活跃；亚表层（6-12 cm）转变为严格厌氧区，好氧Nitrososphaerota由>90%降至<15%，厌氧Bathyarchaeota（约30%）和Lokiarchaeota（约20%）成为优势类群，有氧代谢下调，硫酸盐还原、碳固定（Wood-Ljungdahl， rTCA）和产甲烷（hdrA2， mwhA）上调，细胞分裂（ftsA/Z）和II型分泌系统（gspG）基因增强，指示活跃厌氧生长。
图5 选定微生物分类类群基因表达丰度的以 2 为底倍数变化值（Log₂FC），对比基准为普通海洋沉积物样品的平均丰度；所有点位均以此作为参照组。物种按超界进行标注：细菌界（B）、古菌界（A），并依据该物种富集的样品分为以下 4 组：9.2点位外类群（在 9.2 冷泉点位以外的普通深海沉积物中富集的物种），9.2全域共有类群（在 9.2 冷泉所有分层子样品中均能检出的物种），9.2微生物席专属类群（与 9.2 点位微生物席相关、仅在微生物席富集的物种），9.2深部沉积物专属类群（在 9.2 点位表层 6 cm 以下深部沉积物中富集的物种）。
4) 还原性硫供给主导了冷泉生态位的形成与维持：背景站位受限于海洋雪中有机碳的有限输出，异养活动受限；而S9.2冷泉因还原性硫供给（当前微弱渗漏或历史更强烈活动）形成了高能量化能自养生态位，支撑了硫氧化菌席和囊蛤群落。白云石和黄铁矿的分布与形态，以及仅在S9.2亚表层检测到的铵离子（<150 mg/L），共同佐证该区域为活动性极弱或正在消退的硫驱动型冷泉，而非甲烷渗漏型。
重要启示
——解读人：李成城、刘圣锋
——责任编辑：童曼
