심해의 차가운 침투 퇴적물에서 비소 순환에 대한 예상치 못한 유전적 및 미생물 다양성

npj Biofilms and Microbiome 9권, 기사 번호: 13(2023) 이 기사 인용

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차가운 탄화수소가 풍부한 유체가 해저에서 빠져나가는 차가운 누출은 독성 준금속 비소(As)가 강하게 농축되어 있음을 보여줍니다. As의 독성과 이동성은 전세계 As 생지화학적 순환에서 중요한 역할을 하는 미생물 과정에 의해 크게 변경될 수 있습니다. 그러나 누출 시 As 변형과 관련된 유전자 및 미생물에 대한 전체적인 개요는 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 87개의 퇴적물 메타게놈과 13개의 전 세계적으로 분포된 차가운 누출에서 파생된 33개의 메타전사체를 사용하여 우리는 As 해독 유전자(arsM, arsP, arsC1/arsC2, acr3)가 누출에서 널리 퍼져 있으며 이전에 예상했던 것보다 계통발생학적으로 더 다양하다는 것을 보여줍니다. Asgardarchaeota 및 다양한 미확인 박테리아 문(예: 4484-113, AABM5-125-24 및 RBG-13-66-14)도 As 변환의 핵심 역할을 할 수 있습니다. As 사이클링 유전자의 풍부함과 As 관련 미생물 군집의 구성은 다양한 퇴적 깊이 또는 차가운 침투 유형에 따라 이동했습니다. 에너지를 절약하는 비산염 환원 또는 비산염 산화는 탄소 고정, 탄화수소 분해 및 질소 고정을 지원함으로써 탄소와 질소의 생지화학적 순환에 영향을 미칠 수 있습니다. 전반적으로, 이 연구는 As가 풍부한 차가운 침투에서 As 순환 유전자와 미생물에 대한 포괄적인 개요를 제공하여 효소 및 과정 수준에서 심해 미생물 군집의 As 순환에 대한 추가 연구를 위한 견고한 토대를 마련합니다.

차가운 누출은 지하 유체가 해저로 방출되는 것을 특징으로 하며 활성 및 수동 대륙 가장자리에서 널리 발생합니다1,2. 상향 유체에는 다양한 미생물과 동물군 집합3,4으로 구성된 해저 오아시스를 유지하는 메탄 및 기타 탄화수소가 풍부한 경우가 많습니다. 복잡한 저온 침투 생태계에 연료를 공급하는 주요 과정은 혐기성 메탄 산화 고세균(ANME)과 황산염 환원 박테리아(SRB)5,6의 컨소시엄에 의해 공동으로 운영되는 혐기성 메탄 산화(AOM)입니다. AOM은 위쪽으로 배출되는 메탄의 약 80%를 제거하여 효율적인 메탄 필터 역할을 합니다7. 또한 심해의 차가운 침투 퇴적물에는 전 세계 질소 균형에 실질적으로 기여할 수 있는 다양하고 풍부한 디아조영양생물이 포함되어 있습니다8. 따라서 차가운 누출은 전 세계적으로 생물학적, 지구화학적으로 중요합니다.

배출 유체는 누출 지역의 퇴적 환경에 큰 영향을 미쳐 퇴적물의 화학적 특성을 변화시킬 수 있습니다9. 특히, 지각에서 가장 풍부한 원소 중 하나인 비소(As)는 누출 퇴적물에 비정상적으로 풍부합니다10,11,12,13,14. 비정상적인 비소 농축은 두꺼운 셰리층을 통과할 때 비소 및 기타 금속을 포획할 수 있는 상승 유체에 기인할 수 있습니다10,14; 또는 소위 미립자 철 셔틀 효과9,11,13. 노출 시 모든 생명체에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 자연의 독성 준금속도 마찬가지입니다15. 물리화학적 조건에 따라 As는 다양한 산화 및 메틸화 상태에서 발견될 수 있으며 다양한 수준의 독성 및 생체 이용률을 나타냅니다16. 해양 환경에서는 비소산염(As(V))과 비소산염(As(III))이 무기 As17의 주요 형태입니다. 미생물은 적어도 27억 2천만년 전으로 거슬러 올라가는 As 사이클링과 관련된 유전적 레퍼토리를 진화시킨 것으로 추정됩니다18,19. 생체변환 과정에는 독성을 완화하기 위한 해독과 에너지 보존을 위한 호흡이 포함됩니다. As 해독은 주로 두 단계에 의해 달성됩니다: 글루타레독신(arsC1 유전자) 또는 티오레독신(arsC2 유전자) 계열과 상동성을 갖는 세포질 As(V) 환원효소(arsC 유전자)에 의한 As(V)를 As(III)로 환원 및 후속 As(III) 유출 투과효소(arsB 및 acr3 유전자)를 통한 As(III)의 압출(그림 1). 또 다른 As 해독 메커니즘은 As(III) S-아데노실메티오닌(SAM) 메틸트랜스퍼라제(arsM 유전자)에 의한 As(III)의 메틸아르세나이트(MAs(III))로의 메틸화를 포함합니다(그림 1). MAs(III) 중간체는 As(III)보다 독성이 더 강하지만 세포에 축적되지 않으며 여러 다른 경로를 통해 해독될 수 있습니다. MAs(III)는 ArsM에 의해 추가로 메틸화되고 휘발되어 MAs(III) 유출 투과효소(arsP 유전자)를 통해 세포에서 압출되고23 MAs(III) 특이적 산화효소(arsH 유전자)에 의해 독성이 덜한 MAs(V)로 산화될 수 있습니다. )24 또는 C-As 리아제(arsI 유전자)25에 의해 독성이 덜한 As(III)로 탈메틸화됩니다. 호흡은 As(III) 산화효소(aioAB/arxAB 유전자)에 의한 As(III)의 화학무기영양 산화와 호흡기 As(V) 환원효소(arrAB 유전자)에 의한 동화성 As(V) 환원으로 구성됩니다(그림 1). . 종합해보면, 미생물은 As의 생지화학적 순환과 독성에 엄청난 잠재적 영향을 미칩니다.

10 mbsf). Metagenomes were also grouped based on the type of cold seep, including gas hydrate, seep (i.e. oil and gas/methane seep), and volcano (mud/asphalt volcano)1, respectively. The partial least squares discrimination analysis (PLS-DA) revealed dissimilarity in As cycling genes among different sediment layers (Fig. 2b; F = 4.3504, p = 0.001, R2 = 0.10267, 999-permutations PERMANOVA test). The distribution traits of As cycling genes in surface sediments were separated from deep sediments and more similar to those in shallow ones (Fig. 2b). The abundance of prevalent As cycling genes such as acr3, arsC2 and arsM in deep sediments were significantly higher as compared with those in shallow and surface sediments (Supplementary Fig. 2). As cycling genes in different types of cold seep were also different from each other (Fig. 2b; F = 3.5246, p = 0.004, R2 = 0.07742, 999-permutations PERMANOVA test). Dominant As cycling genes in gas hydrates displayed higher abundances relative to those in seeps and volcanos (Supplementary Fig. 3). Hence, the distributions of As-associated genes were influenced by a combination of sediment depths and types of cold seep. The higher As cycling gene abundances observed in our deep or gas hydrate-associated samples could be correlated with a high level of environmental As, as what was described in As-rich altiplanic wetlands32. In the Nankai Trough, As with unknown sources was demonstrated to actively release into sediment layers where methane hydrates occur (As concentration of 14 ppm in gas hydrate-bearing sediments vs av. 6.4 ppm for the whole sediment core)17./p>