Diverse microbial communities and numerous energy-yielding activities occur in deeply buried sediments of the eastern Pacific Ocean. Distributions of metabolic activities often deviate from the standard model. Rates of activities, cell concentrations, and populations of cultured bacteria vary consistently from one subseafloor environment to another. Net rates of major activities principally rely on electron acceptors and electron donors from the photosynthetic surface world. At open-ocean sites, nitrate and oxygen are supplied to the deepest sedimentary communities through the underlying basaltic aquifer. In turn, these sedimentary communities may supply dissolved electron donors and nutrients to the underlying crustal biosphere.

The deep subseafloor biosphere is among the least-understood habitats on Earth, even though the huge microbial biomass therein plays an important role for potential long-term controls on global biogeochemical cycles. We report here the vertical and geographical distribution of microbes and their phylogenetic diversities in deeply buried marine sediments of the Pacific Ocean Margins. During the Ocean Drilling Program Legs 201 and 204, we obtained sediment cores from the Peru and Cascadia Margins that varied with respect to the presence of dissolved methane and methane hydrate. To examine differences in prokaryotic distribution patterns in sediments with or without methane hydrates, we studied >2,800 clones possessing partial sequences (400–500 bp) of the 16S rRNA gene and 348 representative clone sequences (≈1 kbp) from the two geographically separated subseafloor environments. Archaea of the uncultivated Deep-Sea Archaeal Group were consistently the dominant phylotype in sediments associated with methane hydrate. Sediment cores lacking methane hydrates displayed few or no Deep-Sea Archaeal Group phylotypes. Bacterial communities in the methane hydrate-bearing sediments were dominated by members of the JS1 group, Planctomycetes, and Chloroflexi. Results from cluster and principal component analyses, which include previously reported data from the West and East Pacific Margins, suggest that, for these locations in the Pacific Ocean, prokaryotic communities from methane hydrate-bearing sediment cores are distinct from those in hydrate-free cores. The recognition of which microbial groups prevail under distinctive subseafloor environments is a significant step toward determining the role these communities play in Earth’s essential biogeochemical processes.

The 4 202 353 bp genome of the alkaliphilic bacterium Bacillus halodurans C-125 contains 4066 predicted protein coding sequences (CDSs), 2141 (52.7%) of which have functional assignments, 1182 (29%) of which are conserved CDSs with unknown function and 743 (18. 3%) of which have no match to any protein database. Among the total CDSs, 8.8% match sequences of proteins found only in Bacillus subtilis and 66.7% are widely conserved in comparison with the proteins of various organisms, including B.subtilis. The B. halodurans genome contains 112 transposase genes, indicating that transposases have played an important evolutionary role in horizontal gene transfer and also in internal genetic rearrangement in the genome. Strain C-125 lacks some of the necessary genes for competence, such as comS, srfA and rapC, supporting the fact that competence has not been demonstrated experimentally in C-125. There is no paralog of tupA, encoding teichuronopeptide, which contributes to alkaliphily, in the C-125 genome and an ortholog of tupA cannot be found in the B.subtilis genome. Out of 11 sigma factors which belong to the extracytoplasmic function family, 10 are unique to B. halodurans, suggesting that they may have a role in the special mechanism of adaptation to an alkaline environment.

Microbial communities from a subseafloor sediment core from the southwestern Sea of Okhotsk were evaluated by performing both cultivation-dependent and cultivation-independent (molecular) analyses. The core, which extended 58.1 m below the seafloor, was composed of pelagic clays with several volcanic ash layers containing fine pumice grains. Direct cell counting and quantitative PCR analysis of archaeal and bacterial 16S rRNA gene fragments indicated that the bacterial populations in the ash layers were approximately 2 to 10 times larger than those in the clays. Partial sequences of 1,210 rRNA gene clones revealed that there were qualitative differences in the microbial communities from the two different types of layers. Two phylogenetically distinct archaeal assemblages in the Crenarchaeota, the miscellaneous crenarchaeotic group and the deep-sea archaeal group, were the most predominant archaeal 16S rRNA gene components in the ash layers and the pelagic clays, respectively. Clones of 16S rRNA gene sequences from members of the gamma subclass of the class Proteobacteria dominated the ash layers, whereas sequences from members of the candidate division OP9 and the green nonsulfur bacteria dominated the pelagic clay environments. Molecular (16S rRNA gene sequence) analysis of 181 isolated colonies revealed that there was regional proliferation of viable heterotrophic mesophiles in the volcanic ash layers, along with some gram-positive bacteria and actinobacteria. The porous ash layers, which ranged in age from tens of thousands of years to hundreds of thousands of years, thus appear to be discrete microbial habitats within the coastal subseafloor clay sediment, which are capable of harboring microbial communities that are very distinct from the communities in the more abundant pelagic clays.

A deep sleep in coal beds Deep below the ocean floor, microorganisms from forest soils continue to thrive. Inagaki et al. analyzed the microbial communities in several drill cores off the coast of Japan, some sampling more than 2 km below the seafloor (see the Perspective by Huber). Although cell counts decreased with depth, deep coal beds harbored active communities of methanogenic bacteria. These communities were more similar to those found in forest soils than in other deep marine sediments. Science , this issue p. 420 ; see also p. 376

A novel mesophilic sulfur- and thiosulfate-oxidizing bacterium, strain 42BKTT, was isolated from the gas-bubbling sediment at the Iheya North hydrothermal system in the mid-Okinawa Trough, Japan. The isolate was a Gram-negative, non-motile and coccoid to oval-shaped bacterium. Growth was observed at 10-40 degrees C (optimum 28-30 degrees C) and in the pH range 5.0-9.0 (optimum 6.5-7.0). Strain 42BKTT grew chemolithoautotrophically with elemental sulfur or thiosulfate as a sole electron donor and oxygen (optimum 5 % in gas phase) or nitrate as an electron acceptor. The G + C content of the genomic DNA was 48.0 mol%. Phylogenetic analysis based on the 16S rRNA gene sequence indicated that the isolate belonged to the previously uncultivated Group F within the epsilon-Proteobacteria, which includes phylotypes of vent epibiont and environmental sequences from global deep-sea cold seep and hydrothermal vent fields. On the basis of the physiological and molecular characteristics of this isolate, the type species of a novel genus, Sulfurovum lithotrophicum gen. nov., sp. nov., is proposed. The type strain is 42BKTT (= ATCC BAA-797T = JCM 12117T).

Significance Marine sediment covers 70% of Earth’s surface and harbors as much biomass as seawater. However, the global taxonomic diversity of marine sedimentary communities, and the spatial distribution of that diversity remain unclear. We investigated microbial composition from 40 globally distributed sampling locations, spanning sediment depths of 0.1 to 678 m. Statistical analysis reveals that oxygen presence or absence and organic carbon concentration are key environmental factors for defining taxonomic composition and diversity of marine sedimentary communities. Global marine sedimentary taxonomic richness predicted by species–area relationship models is 7.85 × 10 3 to 6.10 × 10 5 for Archaea and 3.28 × 10 4 to 2.46 × 10 6 for Bacteria as amplicon sequence variants, which is comparable to the richness in seawater and that in topsoil.

Sediment-covered basalt on the flanks of mid-ocean ridges constitutes most of Earth's oceanic crust, but the composition and metabolic function of its microbial ecosystem are largely unknown. By drilling into 3.5-million-year-old subseafloor basalt, we demonstrated the presence of methane- and sulfur-cycling microbes on the eastern flank of the Juan de Fuca Ridge. Depth horizons with functional genes indicative of methane-cycling and sulfate-reducing microorganisms are enriched in solid-phase sulfur and total organic carbon, host δ(13)C- and δ(34)S-isotopic values with a biological imprint, and show clear signs of microbial activity when incubated in the laboratory. Downcore changes in carbon and sulfur cycling show discrete geochemical intervals with chemoautotrophic δ(13)C signatures locally attenuated by heterotrophic metabolism.