蛇纹岩热液系统中微生物群落构建机制：基于Prony湾不同碳源富集培养的生态位分化与营养级联调控研究

本研究针对蛇纹岩化热液系统（如Prony湾）中溶解无机碳（DIC）匮乏制约微生物初级生产的难题，通过构建H2供给的厌氧生物反应器，以碳酸氢盐（bicarbonate）、甲酸盐（formate）、乙酸盐（acetate）和甘氨酸（glycine）为单一碳源，富集培养原位微生物群落。结果表明，除甘氨酸外，其余碳源均能驱动特定类群（如Roseibaca、Meiothermus）的显著富集，并揭示其通过自养-异养协同的"基石物种"互作网络（如CO2/CH4循环）维持生态系统功能，为理解极端碱性环境中生命策略的适应性进化提供了实验证据。

　　

在地球深处，有一种名为蛇纹岩化的地质过程持续塑造着极端环境——当地幔岩与水反应时，会释放大量氢气（H₂）并形成强碱性（pH可达11以上）、低氧的流体。这种环境被认为是地球生命起源的潜在摇篮，但也对微生物生存提出严峻挑战：高pH不仅逆转细胞膜电位，还导致溶解无机碳（DIC）以碳酸钙形式沉淀，使依赖二氧化碳（CO₂）的初级生产者"无米下炊"。那么，蛇纹岩化生态系统中的微生物如何破解碳源短缺的困局？

以往研究通过宏基因组学推测，微生物可能利用蛇纹岩化过程中非生物合成的小分子有机物（如甲酸盐、乙酸盐、甘氨酸）或局部再溶解的碳酸氢盐作为替代碳源。然而，这些假设缺乏实验验证，且针对蛇纹岩化微生物的纯培养困难重重。为此，Popall等人从新喀里多尼亚Prony湾热液区一座活跃的碳酸盐烟囱取样，在模拟原位条件的厌氧生物反应器中，以H₂为电子供体，分别添加碳酸氢盐、甲酸盐、乙酸盐或甘氨酸作为唯一碳源，开展为期25天的微生物群落富集实验，旨在揭示不同碳源驱动群落构建的规律及关键类群的生态功能。

关键技术方法

研究团队采用双夹套玻璃生物反应器（工作体积1.5 L），严格控制温度（35±2°C）、pH（10.5）和连续H₂/N₂气流，以Prony湾热液流体成分为基础配制培养基，并添加硫酸盐/硫代硫酸盐作为电子受体。通过荧光显微镜（DAPI染色）监测细胞密度，高效液相色谱（HPLC）和离子色谱（IC）分析碳源与电子受体消耗，并结合16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序（Illumina MiSeq平台）解析群落结构演变。

微生物生长与碳源利用

乙酸盐培养的群落表现出最显著的净生长，甲酸盐和碳酸氢盐次之，而甘氨酸组几乎无生长。碳消耗数据进一步证实乙酸盐和甲酸盐被高效利用，且硫酸盐/硫代硫酸盐的同步减少提示潜在的能量代谢耦合。

群落多样性演变

碳酸氢盐、甲酸盐和乙酸盐富集均导致细菌群落Alpha多样性显著下降，表明特定类群被定向选择；古菌群落则以甲烷鬃菌目（Methanosarcinales）为绝对优势类群，其结构受碳源影响较小。

碳源驱动群落分异

PERMANOVA分析显示碳源解释29.12%的细菌群落变异，玫瑰杆菌科（Roseibaca）和 Meiothermus 相关ASV是分异的主要驱动力。古菌群落中，Woesearchaeales 的相对丰度随时间变化显著，暗示其与甲烷鬃菌目的潜在互作。

关键类群的生态功能

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  乙酸盐组：玫瑰杆菌（Roseibaca）和 Meiothermus（异养型）富集，可能作为"基石物种"通过氧化乙酸盐释放CO₂，支撑其他自养菌生长。
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  甲酸盐组：玫瑰杆菌、Meiothermus 和硫碱微菌（Thioalkalimicrobium）共同富集，后者可能耦合甲酸盐氧化与硫代硫酸盐还原。
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  碳酸氢盐组：Meiothermus（自养型）和氢噬菌属（Hydrogenophaga）占主导，利用H₂还原CO₂进行化能自养。
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  古菌互作网络：甲烷鬃菌目（可能进行甲烷生成）与Woesearchaeales（潜在乙酸氧化共生体）构成碳循环单元，而甲烷微菌目（Methanomicrobiales）在碳酸氢盐组末期富集，提示其自养潜力。

结论与意义

本研究通过可控培养实验证实，蛇纹岩化环境中的微生物群落能够利用碳酸氢盐、甲酸盐和乙酸盐构建多营养级网络。其中，玫瑰杆菌和Meiothermus 等传统好氧类群在厌氧条件下展现出代谢可塑性，通过自养（碳酸氢盐/甲酸盐固定）与异养（乙酸盐氧化）功能的协同，形成"CO₂-有机物"双向流动的反馈循环。这种互作模式突破了DIC限制对初级生产的制约，为理解超碱性环境中生态系统的维持机制提供了新范式。此外，古菌群落中甲烷代谢类群与Woesearchaeales的共生关系，进一步凸显了跨域协同在极端环境碳循环中的重要性。该成果发表于《Environmental Microbiome》，为探索生命在早期地球或地外类似环境中的生存策略提供了关键实验依据。