近日，我所董西洋研究员课题组在Nature Communications（Nature系列综合类子刊，中科院一区top）发表了题为“Cold seeps are potential hotspots of deep-sea nitrogen loss driven by microorganisms across 21 phyla”的研究论文。该研究发现深海冷泉可能是全球海洋脱氮的重要热点区，其脱氮过程由21个门类的微生物驱动。这一研究首次在冷泉环境中系统分析了脱氮过程，发现冷泉的脱氮速率显著高于典型的深海沉积物，填补了深海氮循环研究中的重要空白。

氮是生物生长的重要元素，控制着全球海洋的初级生产力。然而，海洋氮的平衡受限于固氮与脱氮过程之间的动态调节。脱氮过程主要包括反硝化作用和厌氧氨氧化（anammox）过程，它们共同作用，将海洋中的活性氮转化为氮气（N₂）释放回大气，影响全球氮循环的稳定性。尽管过去的研究表明，固氮微生物在深海冷泉环境中广泛存在，但关于脱氮微生物的生态作用仍缺乏系统研究。本研究针对这一关键问题，整合地球化学测量、¹⁵N稳定同位素示踪实验、宏基因组学、宏转录组学及三维蛋白结构模拟等多种方法，揭示了冷泉环境中复杂且活跃的脱氮过程。

研究团队分析了全球多个深海冷泉的359个沉积物样本，发现冷泉的脱氮速率远高于典型的深海沉积物。通过¹⁵N稳定同位素示踪实验，测定了脱氮的通量，估算表层沉积物的年均脱氮量在4.96–7.63 Tg N之间，占全球海洋沉积物脱氮总量的1.65–2.54%。地球化学参数测量结果进一步支持了这一结论。研究发现，冷泉沉积物的硝酸盐和亚硝酸盐含量通常低于铵盐，且检测到了活跃的N2产生迹象，表明反硝化作用和厌氧氨氧化过程在冷泉环境中高度活跃。

以往的基因注释主要依赖于序列相似性，这往往会忽略那些序列相差较远但功能相似的基因。然而，在长期进化过程中，同一位点的多次突变可能导致序列比对的不确定性，而蛋白质结构比序列突变更为保守，因此结构分析成为揭示微生物功能多样性的关键方法之一。本研究利用蛋白结构相似性分析与系统发育分析，对1.47亿个非冗余基因进行了深入挖掘，发现冷泉表层沉积物中存在大量脱氮基因，包括亚硝酸还原酶（NosZ；6.88 GPM）、一氧化氮去除酶（Nod；1.29 GPM）和联氨/肼合成酶（HzsA；3.35 GPM）。对来自该生境的3,164个宏基因组组装基因组（MAG）的分析，将已知的氧化亚氮还原菌的多样性扩展了3个门，将一氧化氮歧化微生物的多样性扩展了1个门和2个目，同时发现有包括浮霉菌门在内的10个门的微生物具有厌氧氨氧化能力（图1，图2）。这些微生物表现出多样的结构适应性和复杂的基因簇排列，这可能使其能够在冷泉中生存。

图1含有nosZ Clade I或II的MAG中NosZ的蛋白结构树及nos基因簇

本研究表明，冷泉不仅是海底甲烷渗漏和硫化物循环的活跃区域，还是全球海洋脱氮的重要贡献者。这一发现对于理解全球氮循环至关重要，尤其是在当前全球气候变化背景下，研究海洋氮收支的变化趋势将有助于预测未来海洋生态系统的演变方向。

图2冷泉MAGs中的HzsA的蛋白结构树以及HZS的预测蛋白结构

我所博士后姜秋云和中国科学院海洋研究所助理研究员曹磊为论文共同第一作者。我所董西洋研究员和中国海洋大学林贤彪副教授为论文共同通讯作者。其他参与者包括韩迎春、李盛结、赵睿、张晓黎、S. Emil Ruff、赵卓铭、彭佳雪、廖静、朱宝利和王敏晓等。本研究受到国家自然科学基金项目、厦门市自然科学基金项目、福建省自然科学基金、海洋三所基本科研业务费等项目资助。

论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56774-1