马尼奇-古迪洛湖嗜盐藻菌垫光养群落揭示硫循环驱动的古老生态系统演化

《Microbiology》：Phototrophic Communities in Algo-Bacterial Mats of Lake Manych-Gudilo, a Unique Relict Saline Basin

本研究针对高盐碱湖泊微生物群落组成不明的科学问题，聚焦马尼奇-古迪洛湖藻菌垫的光合微生物多样性。通过纯培养与16S rRNA高通量测序技术，研究人员首次发现以紫色硫细菌（PSB） Ectothiorhodospira marina、Lamprobacter modestohalophilus和绿色硫细菌（GSB） Prosthecochloris为主的厌氧光养菌群，揭示了该湖作为古海洋遗迹的独特微生物适应机制。研究成果为极端环境微生物资源开发与硫循环演化研究提供重要理论依据。

　　

在欧亚大陆的干草原深处，隐藏着一个被称为马尼奇-古迪洛湖的古老水域。这片湖泊形成于距今200-300万年前的上新世，曾是连接黑海与里海的古海峡遗迹。如今，湖水盐度高达50 g/L以上，硫酸盐与镁离子浓度甚至超过海水，成为研究极端环境微生物的天然实验室。湖岸周边散布的浅水湾中，一类黄绿色的藻菌垫（algo-bacterial mats）在硫化氢弥漫的沉积物上蓬勃生长，但其微生物组成与生态功能始终成谜。

为揭示这一独特生态系统的运作机制，俄罗斯科学院生物技术研究中心的Gorlenko团队对湖岸浅水区的藻菌垫展开系统研究。他们发现该群落具有典型硫循环特征（sulfuret），其中丝状蓝藻与绿藻Cladophora作为初级生产者，而厌氧光养细菌（anoxygenic phototrophic bacteria, APB）则通过氧化硫化氢参与能量流动。研究人员通过Winogradsky柱在80 g/L盐度下成功重建实验室藻菌垫，结合传统分离培养与高通量测序技术，首次绘制出该生态系统的微生物图谱。

关键技术方法

研究采用野外采样与实验室模拟相结合的策略：从盐度60 g/L的浅水区采集藻菌垫样本，通过选择性培养基分离厌氧光养细菌（包括紫色硫细菌PSB与绿色硫细菌GSB）；利用光学与电子显微镜观察细胞形态；通过光谱分析鉴定细菌叶绿素（bacteriochlorophyll）与类胡萝卜素；基于16S rRNA基因序列构建系统发育树；采用Illumina MiSeq平台对实验室重建藻菌垫进行V3-V4区高通量测序，并通过SILVA数据库进行物种注释。

材料与方法

采样点位于湖心沃佳诺伊岛对岸的浅水盆地（北纬46°48′54″，东经42°49′19″）。藻菌垫样本与沉积物共同采集后，部分用于直接显微镜观察与细菌分离，部分用于构建Winogradsky柱模拟系统。分离培养基包含35 g/L NaCl与硫化物/硫代硫酸盐作为电子供体，通过调节pH与光照条件分别富集PSB与GSB。

结果与讨论

显微观察与菌株分离

藻菌垫由丝状蓝藻（Phormidium、Halomicronema等）与绿藻Cladophora构成主体框架（图2b-2f）。硫氧化丝状菌Beggiatoa形成白色斑块（图2g），其下方微区分布着粉色PSB群落（图2k-2n）。成功分离到5株代表性APB：紫色硫细菌Ectothiorhodospirasp. Mch4（细胞呈螺旋形，胞外储硫）与Lamprobactersp. Mch5（纺锤形细胞含okenone类胡萝卜素）；非硫紫色细菌Rhodovulumsp. Mch3；以及两种Prosthecochloris绿色硫细菌（Mch1绿色型与Mch2棕色型）（图2i-2n）。盐度生长实验显示所有菌株均为中度嗜盐菌，耐受范围30-80 g/L NaCl（图4）。

系统发育分析

16S rRNA基因序列比对表明，Mch4与Ectothiorhodospira marina相似度达99.93%（图5），Mch5与Lamprobacter modestohalophilus相似度99.79%。两个Prosthecochloris菌株虽色素组成差异显著（图3），但同属一个未定名新类群（图8），其近缘种均来自高镁/硫酸盐环境。

实验室藻菌垫群落结构

高通量测序显示，蓝菌门（Cyanobacteriota）占群落总量42.52%，主要属包括Halomicronema、Phormidium等嗜盐类群（图11）。假单胞菌门（Pseudomonadota）占24.93%，含硫氧化菌Thioalkalivibrio与Thioclava（图13）。硫酸盐还原菌（Desulfobacterota）以Desulfopila、Desulfatibacillum为主（图12），而绿弯菌门（Chloroflexota）占9.95%，包含未培养的厌氧光养菌“Candidatus Chlorotrichoides halophilum”（图14）。值得注意的是，检测到海洋无脊椎动物共生硫氧化菌的基因序列，暗示湖泊与古海洋的遗传关联。

结论与意义

本研究首次系统揭示了马尼奇-古迪洛湖藻菌垫的微生物多样性及其对极端盐度环境的适应机制。该群落作为典型的硫循环生态系统（sulfuret），其核心功能菌群（如嗜盐PSB/GSB、硫酸盐还原菌）的协同作用，维系了高硫碱性环境下的能量流动。实验室重建藻菌垫的成功证实了该类群对盐度波动的强耐受性，而海洋特有共生菌基因的发现，为追溯湖泊古海洋起源提供了分子证据。该成果发表于《Microbiology》期刊，不仅丰富了极端环境微生物资源库，也为全球气候变化背景下盐碱化湖泊的生态演化研究提供了重要范式。