上海海洋大学冯东教授团队揭秘极端环境管状蠕虫氮循环过程的地球化学印记

近日，上海海洋大学冯东教授团队针对深海冷泉管状蠕虫生命活动的地球化学印记研究取得突破性进展，该成果以“Molybdenum isotope signature of microbial nitrogen utilization in siboglinid tubeworms”为题发表于地球科学领域顶级刊物Geology。王旭东为论文第一作者，王旭东和冯东为共同通讯作者。

冷泉等深海极端生态系统是探索地球生命起源和演化过程的潜在候选环境。这些生态系统通常依赖化能自养微生物与其宿主的共生关系而形成深海“荒漠”中的生命“绿洲”，其中管状蠕虫是最具代表性的宏生物之一。成年管状蠕虫缺乏功能性消化系统，其能量与物质需求完全依赖于营养体内共生的硫氧化细菌。以往研究认为管状蠕虫在冷泉系统的出现似乎可以追溯至泥盆纪，但根据形态学、分子生物学、生态学和化石证据限定的管状蠕虫首现时间并不一致。

针对上述科学问题，研究团队另辟蹊径，以南海“海马”活动冷泉区发育的管状蠕虫Paraescarpia echinospica为研究对象，从其生理特性入手，探究其生命活动留下的独特地球化学印记。研究以管状蠕虫的氮循环为切入点：

（1）生物通过固氮作用或硝酸盐还原作用获取其生命活动所需的氮源。生物对氮的利用常常导致其体内氮同位素组成负偏，这种负偏现象已得到管状蠕虫营养体氮同位素组成的证实；

（2）管状蠕虫营养体内的硫氧化细菌不具有固氮基因；

（3）管状蠕虫体内含有百倍于环境的硝酸盐且硝酸盐还原速率极快；

（4）硝酸盐还原过程需利用硝酸盐还原酶，这是一种含钼的金属酶。

研究结果表明，南海“海马”活动冷泉区管状蠕虫Paraescarpia echinospica几丁质外壳的钼同位素组成最负值可达-4.59‰，这是迄今为止所有天然物质所报道的钼同位素最低值。极端偏负的钼同位素组成可能源于管状蠕虫共生体在硝酸盐还原过程中优先利用同位素轻钼。研究通过搭建现代过程与地质记录之间的桥梁，为地质历史时期古老管状蠕虫的识别提供了独特的地球化学视角。

来自青岛海洋科学与技术国家实验室、香港科技大学、德国汉堡大学、法国海洋开发研究院、中国科学院广州地球化学研究所、美国天普大学和广州海洋地质调查局等单位的合作者参与了该项工作。研究得到了国家自然科学基金（42225603, 42106059, 42176056）和上海市科学技术委员会“扬帆计划”（21YF1416800）的支持。

Geology由美国地质学会于1973年创刊，每月发行一期，每期发表约23篇短文，内容涵盖地球科学全领域。Geology在国际地球科学领域享有崇高的学术声誉，在Web of Science引文数据库“地质学”领域中连续15年排名第一。

论文链接：https://doi.org/10.1130/G51077.1

海马冷泉发育的管状蠕虫（“海马”号拍摄，陶军教授供图）