蓝碳生态系统中活跃的乙酰原核生物显著增强二氧化碳汇功能

《Microbiome》：Abundant and active acetogens enhance the carbon dioxide sink of Blue Carbon ecosystems

　　本研究针对蓝碳生态系统碳汇机制中化学合成作用的认知空白，通过宏基因组学与微生物富集技术，揭示了潮汐湿地土壤中富含可通过Wood-Ljungdahl途径（WLP）将CO2高效转化为乙酸的乙酰原核生物。研究证实这些微生物在黑暗条件下驱动碳固定，为开发新型碳封存策略及工业气体发酵技术提供了理论依据。

　　

在全球气候变化日益严峻的背景下，寻找有效的二氧化碳（CO₂）封存途径成为当务之急。蓝碳生态系统（包括红树林、盐沼和潮汐湿地）因其卓越的碳捕获能力备受关注。传统观点认为，这些生态系统的碳汇功能主要依赖植物和微生物的光合作用，而化学合成过程的作用长期被低估。然而，蓝碳生态系统内广泛存在的缺氧环境为化能合成微生物（如乙酰原核生物）提供了理想栖息地。已有观测发现，部分潮汐湿地在黑暗条件下仍能吸收CO₂，暗示着不依赖光线的碳固定机制的存在。

为揭示这一现象背后的微生物驱动机制，Rodriguez等人对澳大利亚亚热带潮汐湿地开展了多维度研究。通过宏基因组分析和微生物富集实验，团队首次证实乙酰原核生物可通过Wood-Ljungdahl途径（WLP）将CO₂转化为乙酸，从而直接贡献于生态系统的碳汇功能。该研究不仅深化了对蓝碳生态系统碳循环机制的理解，还为利用微生物进行工业级CO₂转化提供了新思路。

研究团队综合运用了宏基因组测序（对潮汐湿地土壤样本进行基因和基因组水平分析）、微生物富集培养（以H₂/CO₂为唯一碳源和能源的厌氧培养）及生物反应器批量发酵（监测气体消耗和代谢产物动态）三大关键技术。样本来源于澳大利亚昆士兰州Yandina湿地修复项目的盐沼和Melaleuca林地，通过基因组解析宏基因组学（genome-resolved metagenomics）重建微生物代谢网络。

化学合成微生物在多种蓝碳生态系统中广泛存在

基因中心分析显示，潮汐湿地微生物群落中编码Calvin-Benson-Bassham循环（CBB循环）和WLP关键基因的丰度极高（分别占群落的21.15%和14.1%），且氧化无机物（如H₂、CO、硫化物）的基因广泛分布。对比全球其他蓝碳生态系统（如海草床和红树林）的宏基因组数据，化学合成碳固定潜力具有普适性，表明蓝碳生态系统是生物地球化学循环的热点区域。

系统发育和代谢多样性揭示乙酰原核生物的核心作用

从湿地土壤中重建的117个宏基因组组装基因组（MAGs）中，18个来自8个门的微生物编码完整的WLP途径。这些微生物兼具好氧和厌氧代谢灵活性，例如多数WLP编码菌同时含有好氧呼吸基因，暗示其能适应湿地中动态变化的氧化还原条件。乙酰辅酶A合成酶（AcsB）的系统发育分析进一步证实了乙酰原核生物在潮汐湿地中的多样性。

富集培养验证梭菌介导的氢营养乙酰化作用

通过以CO₂/H₂为底物的厌氧富集，研究者获得了以泰国梭菌（Clostridium thailandense）为主的活性菌群。该菌编码完整的WLP和氢化酶基因，能够将CO₂快速转化为乙酸、乙醇和短链脂肪酸。生物反应器实验显示，富集菌群在171小时内消耗大量CO₂和H₂，最高生物量OD₆₀₀达0.75，并产生64 mM乙酸。

代谢互作网络增强碳固定效率

富集菌群中泰国梭菌与Caproicibacter菌的共生关系显著提升了碳转化效率。前者通过WLP固定CO₂生成乙酸和乙醇，后者利用这些产物进行链延长反应生成丁酸等更复杂的化合物。这种交叉喂养（cross-feeding）机制模拟了自然湿地中的微生物互作，凸显了微生物群落协同对碳封存的贡献。

本研究系统论证了乙酰原核生物作为蓝碳生态系统“暗碳汇”的关键驱动者，修正了仅依赖光合作用评估碳汇能力的传统认知。通过将宏基因组学与微生物培养相结合，研究不仅揭示了潮汐湿地中活跃的化学合成碳固定途径，还成功富集了高效转化CO₂的菌株。这些发现为优化蓝碳生态系统的碳汇评估模型提供了科学依据，并为开发基于微生物的CO₂生物转化技术（如工业气体发酵）奠定了理论基础。未来研究可进一步探索如何通过调控微生物群落结构提升湿地碳封存能力，或将富集菌群直接应用于温室气体减排技术中。