智利海岸山脉花岗岩深层生物圈微生物生态研究：干旱与湿润环境的对比分析

《ISME Communications》：Microbial Ecology of Subsurface Granitic Bedrock: A Humid–Arid Site Comparison in Chile

本研究针对干旱与湿润气候下花岗岩深层生物圈微生物群落差异这一科学问题，通过对比智利海岸山脉南北梯度两个端元站点（潘德阿苏卡尔干旱站点与纳韦尔布塔湿润站点）1.5-55米深度的岩石样本，结合16S rRNA扩增子测序和宏基因组测序技术，揭示了地表气候通过调控营养输入影响深层微生物群落构建的机制。研究发现干旱深层 subsurface（26-55米）存在硫氧化菌（Sulfuriferula）、硫杆菌（Thiobacillus）等化能自养菌的稀有类群，并检测到硫、氢、一氧化碳氧化的基因潜能；而湿润 subsurface 以假节杆菌（Pseudarthrobacter）和紫色杆菌（Janthinobacterium）等异养菌为主。功能分析表明微生物风化潜力（酸化、螯合相关基因）在两种气候下均存在，但干旱环境深层可能依赖化能自养作用驱动风化。该研究为理解陆地深层生物圈在全球生物地球化学循环中的作用提供了新视角。

　　

在地球表面之下，隐藏着一个神秘的世界——深层生物圈（Deep Biosphere）。这里没有阳光，缺乏营养，微生物在缺氧、干旱和贫瘠的极端环境中顽强生存。特别是在火成岩系统中，微生物的生命活动完全依赖通过构造裂缝从地表输入的养分。尽管科学家对深海和大陆深层生物圈的研究已取得重要进展，但对干旱地区地下生态系统的认知仍近乎空白。在年降水量极低的荒漠地带，地表水输入严重受限，深层岩石中的微生物如何生存？它们与湿润环境下的深层微生物有何不同？这些问题的答案对于理解地球关键带（Critical Zone）的生物地球化学过程至关重要。

智利海岸山脉为研究这一问题提供了天然实验室。该区域存在从北到南的显著气候梯度：北部的潘德阿苏卡尔（Pan de Azucar）地区年降水量仅12毫米，属于极端干旱环境；而南部的纳韦尔布塔（Nahuelbuta）地区年降水量高达1469毫米，代表湿润条件。两地基岩均为花岗岩类，为对比研究提供了理想条件。德国地球科学研究中心（GFZ）的Lucas Horstmann等研究人员在《ISME Communications》上发表了他们的最新研究成果，通过比较这两种气候条件下花岗岩深层微生物群落，揭示了地表气候对地下生态系统的影响。

研究人员利用德国研究基金会（DFG）优先计划“EarthShape”项目的钻探岩芯，从两个站点的1.5-55米深度采集花岗岩样本。为排除钻探污染，他们采用了荧光微粒示踪剂和钻液DNA分析进行严格质量控制。通过酶活性检测（荧光素二乙酸酯水解试验）评估微生物活性，并利用改良的酚-氯仿法从岩石粉末中提取DNA。研究结合16S rRNA基因扩增子测序（针对V4区）和鸟枪法宏基因组测序，使用DADA2流程处理序列数据，SILVA数据库进行物种注释，ATLAS流程分析宏基因组功能基因。地球化学分析包括水溶性离子浓度、pH值和电导率测量，以表征环境条件。

微生物群落组成与多样性

qPCR结果显示微生物丰度较低（10³-10⁵ 16S rRNA基因拷贝/克岩石），但FDA水解试验证实了微生物活性。多样性分析表明，浅层干旱样本（1.5米）具有最高多样性（Shannon指数4.9），而深层样本多样性相对较低但稳定。群落结构呈现明显的气候和深度分异：浅层干旱样本（1.5米和12米）形成一个独立簇群，富含假单胞菌（Pseudomonas）和典型沙漠土壤类群（如放线菌门Thermoleophilia类和MB-A2-108类）；而深层样本（干旱26米、55米和所有湿润样本）聚为另一大簇，以假节杆菌（Pseudarthrobacter）和紫色杆菌（Janthinobacterium）为优势类群。共现网络分析进一步揭示了6个模块，分别对应不同深度和气候条件下的特异类群组合。

代谢潜能与适应性策略

宏基因组分析揭示了三种主要代谢特征：电子受体利用方面，所有样本均富含氧（coxAC）、硝酸盐（narGHYZ）和亚硝酸盐（nirBDK）还原基因，表明好氧代谢占主导；电子供体方面，硫（fccAB、soxABXY）、一氧化碳（coxMS）和氢（hydABC）氧化基因广泛存在，但干旱深层样本中氢氧化基因丰度较低。碳固定途径中，卡尔文循环（rbcLS）和3-羟基丙酸双循环（accABCD）相关基因均有检出，而伍德-永达尔途径（Wood-Ljungdahl pathway）标志基因缺失。干旱样本中固氮基因（nifH）丰度极低，而湿润样本中较高。

微生物适应性基因分析显示，浅层干旱样本（1.5米）具有最高的环境应激基因丰度（约8000 rpm），尤其是包膜应激调节因子rpoE和海藻糖合成基因（otsAB），反映了其对干旱胁迫的适应。深层样本则富含氧化应激响应基因（katE、katG）和生物膜形成基因，可能与岩石基质相互作用有关。孢子形成基因在所有样本中均未检测到。

微生物风化潜力

功能基因筛查发现，所有样本均含有与酸解（葡萄糖脱氢酶gcd、葡萄糖酸脱氢酶gad等）和螯合（乙酸激酶ackA、吡咯喹啉醌合成pqqBE等）相关的风化基因。铁载体相关基因（合成、运输）也有检出，但直接参与铁氧化还原的基因极少。这表明异养微生物可能通过产酸和铁载体介导的螯合作用促进矿物风化，而非直接利用矿物进行能量代谢。

研究结论表明，地表气候通过调控营养输入深度影响深层微生物群落构建。干旱环境下，随着深度增加（>19米），沙漠特征类群减少，深层生物圈典型类群（如假节杆菌、紫色杆菌）逐渐占据优势。关键区别在于，干旱深层（26-55米）出现了化能自养菌（硫杆菌、硫氧化菌等）和相应的无机代谢基因，表明在有机质输入受限条件下，微生物群落向依赖无机能源（硫、氢、一氧化碳）的方向演化。而在湿润深层，微生物群落可能仍主要利用地表输入的有机质。

这一发现具有重要意义：首先，它证实了地表气候条件可以通过控制营养梯度间接影响深层生物圈的群落结构和功能，拓展了对陆地深层生物圈形成机制的理解；其次，研究揭示了在干旱地区，化能自养代谢可能在相对浅的深度（50米以内）就成为维持生态系统功能的关键机制，这对评估全球变化背景下地下生态系统的响应具有启示意义；最后，研究证实了深层微生物具有风化潜力，表明地球关键带的生物地球化学过程可能延伸至地下数十米深度，对完整理解全球元素循环具有重要意义。

该研究通过多学科方法整合地球化学、分子生态学和宏基因组学，为理解气候-地下生态系统耦合提供了新视角，强调在评估全球变化影响时，需要考虑地表过程对地下生态系统的深远影响。