黑暗中的生产力：地下水微生物驱动CO2固定及其全球碳循环意义

《BIOspektrum》：Produktiv trotz Dunkelheit: CO2-Fixierung im Grundwasser

【编辑推荐】面对地下水生态系统功能受气候变化威胁的难题，耶拿大学团队通过稳定同位素标记与多组学技术，揭示了化学无机自养微生物通过硫氧化等途径实现CO2固定的机制。研究发现碳酸盐含水层中浮游微生物年固碳量达0.11 PgC，接近德国年碳排放量，证实地下水系统是全球碳循环被忽视的关键环节。

　　

在我们脚下数百米深的地下水系统中，存在着一个不依赖阳光的隐秘生态系统。这些地下水生态系统不仅维系着全球饮用水供应，更在生物地球化学循环中扮演着关键角色。然而随着气候变化导致地下水位下降和水质恶化，理解这些生态系统的功能机制变得尤为迫切。长期以来，科学界认为地下水微生物主要依赖地表输入的有机质进行异养代谢，直到基因测序技术揭示了它们拥有CO₂固定的遗传潜力——这引发了一个重要问题：在完全黑暗的环境中，哪些微生物正在驱动碳固定过程？它们如何支撑整个地下水食物网？

为解答这些问题，耶拿大学的研究团队在《BIOspektrum》发表的研究中，采用多学科方法揭示了地下水微生物的碳固定机制。他们通过稳定同位素标记（SIP）结合宏基因组学技术，在德国海尼希关键带观测站（Hainich CZE）的碳酸盐含水层中展开系统性研究。该观测站拥有深度达90米的监测井网络，为研究不同水文地质条件下的微生物活动提供了理想场所。

主要技术方法包括：①利用¹³C-CO₂标记的稳定同位素探测（SIP）追踪碳流向；②通过基因组解析的SIP宏蛋白质组学将代谢途径与特定微生物关联；③应用稳定同位素聚类分析（SIsCA）量化群落碳流动态；④采用原位岩石培养装置比较附着型与浮游型微生物群落的功能差异。

CO₂固定速率堪比贫营养海洋环境

通过¹⁴C标记测定发现，碳酸盐含水层中的CO₂固定速率与百米深度的贫营养海洋环境相当。这意味着全球20-25%的可用地下水储存区可能正在发生规模可观的碳固定过程，其年固碳量估计达0.11 PgC（十亿吨碳），接近德国2024年的全年碳排放量（0.177 PgC）。

硫氧化菌作为碳供应的关键调节者

在高滞留时间的H52井中，硫氧化菌通过岩石风化释放的硫化合物获得能量，在7天内将90%微生物生物量的¹³C标记从CO₂中富集，表现为严格自养生长模式。而在高渗透性的H41井中，混合营养型硫氧化菌占主导，它们能根据有机碳可用性灵活切换代谢策略：有些菌株仅在没有氨基酸和糖类时才启动CO₂固定，这种代谢弹性显著增强了地下水碳循环的效率。

岩石表面附着微生物组的独特生态位

研究发现附着于岩石表面的微生物数量是浮游微生物的10³-10⁶倍。这些附着群落具有显著不同的代谢特征：化能自养菌比例接近浮游群落的两倍，且更频繁使用卡尔文循环（CBB）进行CO₂固定。它们还高表达与铁代谢、附着和生物膜形成相关的基因，而浮游群落则倾向于使用能量效率更高的逆向TCA循环（rTCA）和伍德-永达尔途径（WL）。

这项研究从根本上改变了我们对地下水生态系统的认知。黑暗初级生产不仅支撑着地下水食物网，更通过微生物的代谢灵活性（如混合营养策略）和空间分化（附着vs浮游）实现了碳循环的高效运转。尤其重要的是，碳酸盐含水层中规模巨大的碳固定量提示地下水系统可能是全球碳循环中被长期忽视的碳汇。随着气候变化加剧，理解这些微生物驱动的过程对于预测地下水生态系统响应、保障饮用水安全以及准确评估全球碳预算具有深远意义。未来需要针对不同地质背景开展更精细化的研究，以全面评估地下水微生物对碳循环的实际贡献。