水平环境的异质性决定了冷渗沉积物中原核生物群落的组成及物种共存情况

《Frontiers in Microbiology》：Heterogeneity of the horizontal environment drives community assemblages and species coexistence of prokaryotic communities in cold seep sediments

微生物群落与甲烷渗漏的生态关联研究：冷泉沉积物中细菌与古菌群落的多样性、组装过程及物种共存模式分析，基于16S rRNA测序和理化参数研究，揭示了环境异质性对原核微生物群落结构的影响机制，发现强渗漏区（ROV1）细菌群落以随机过程组装且共现网络复杂，而古菌群落受环境驱动显著，其他站点（ROV2-4）生物群落的富集与群落组装过程呈现混合驱动模式。

　　在深海生态系统中，冷泉作为一种特殊的地质现象，其独特的环境条件为微生物提供了丰富的生存空间与能量来源。冷泉环境通常由富含甲烷、硫化氢及其他碳氢化合物的流体从海底沉积物中释放形成，这些流体不仅改变了沉积物的化学组成，还为微生物群落的构建与演化提供了关键的驱动力。甲烷的氧化与硫酸盐的还原是冷泉生态系统中最为重要的生物地球化学过程，由甲烷氧化古菌和硫酸盐还原菌（SRB）共同完成。这一过程释放出大量溶解的碳酸氢盐和氢硫化物，成为周围微生物和大型底栖生物群落的重要能量来源。冷泉生态系统的微生物群落不仅在生物地球化学循环中扮演着重要角色，还与生物多样性和生态稳定性密切相关。

冷泉生态系统的形成和演化通常经历多个阶段，从甲烷的强烈渗出到生物群落的逐步建立。在甲烷渗出强度较高的区域，沉积物中通常会出现大量的甲烷氧化古菌和硫酸盐还原菌，这些微生物在生物地球化学循环中发挥着关键作用。随着甲烷渗出的减弱，更多的大型生物如贻贝、蛤蜊和海葵开始占据这些区域，形成丰富的生物群落。而在较老的冷泉区域，碳酸盐岩层逐渐发育，成为微生物活动的产物。这种随时间推移而变化的环境条件，导致了不同阶段的冷泉生态系统中微生物群落的多样性、组成和结构存在显著差异。

本研究聚焦于中国南海的海马冷泉生态系统，对四个不同类型的冷泉沉积物进行微生物群落的调查，包括甲烷渗出区域（ROV1）和具有不同生物群落特征的区域（ROV2、ROV3、ROV4）。通过整合地球化学分析和16S rRNA基因测序，研究人员揭示了微生物群落的多样性特征及其组装机制。研究结果表明，甲烷渗出区域的微生物多样性显著低于其他区域，这可能是由于该区域的环境条件相对单一，有利于某些特定微生物的快速生长和占据主导地位。而其他区域则表现出较高的多样性，这可能与生物群落的复杂性和环境异质性有关。

在甲烷渗出区域，Halobacterota古菌占主导地位，这表明该区域的微生物群落可能受到较强的环境选择压力。而在生物群落丰富的区域，Chloroflexi和Asgardarchaeota的丰度较高，提示这些微生物可能在有机质降解和能量转化过程中发挥重要作用。进一步分析显示，甲烷渗出区域的细菌群落主要由随机过程驱动，而古菌群落则更倾向于由确定性过程形成。在生物群落丰富的区域，两种过程共同作用，影响微生物的组装和共存模式。这一发现表明，不同类型的冷泉环境对微生物群落的形成机制存在显著差异，而这些差异主要源于环境异质性。

地球化学参数在不同冷泉区域之间表现出显著差异，这些参数包括甲烷、硫酸盐、碳酸盐、钙离子、钡离子等。这些参数不仅影响微生物的分布，还决定了其多样性。通过相关性分析和随机森林模型，研究发现甲烷是影响微生物群落结构的关键因素，其浓度变化对微生物群落的多样性与组成具有显著影响。此外，总无机碳、硫酸盐、钙离子和钡离子等参数也对微生物群落的结构产生重要作用。这些环境因素的变化，反映了冷泉生态系统中生物地球化学过程的动态变化，进而影响微生物的适应性与演化路径。

微生物群落的组装过程可以通过多种机制解释，包括随机过程和确定性过程。随机过程涉及微生物的扩散、灭绝和种群演替，而确定性过程则包括环境过滤、物种间相互作用等。研究结果表明，甲烷渗出区域的细菌群落主要受到随机过程的影响，这可能与该区域较高的扩散能力有关。而在其他区域，环境选择压力和物种间相互作用共同影响微生物群落的组装，这表明环境异质性在微生物多样性形成过程中具有重要作用。这种差异性的组装机制可能与不同区域的环境条件和生物地球化学过程密切相关。

微生物共存网络的构建有助于揭示微生物群落内部的相互作用模式。在甲烷渗出区域，细菌共存网络表现出较高的连接性和复杂性，说明该区域的微生物之间存在更频繁的相互作用。而在古菌群落中，网络的连接性较低，这可能与环境选择压力和物种间的竞争关系有关。这些网络特征的变化，反映了微生物群落的生态功能和适应性策略。例如，在甲烷渗出较强的区域，微生物群落可能更倾向于形成紧密的共生关系，以应对环境的剧烈变化。而在生物群落丰富的区域，微生物之间的相互作用可能更加多样化，包括竞争、互利共生等。

研究还发现，不同区域的微生物群落具有不同的生态功能。在甲烷渗出区域，微生物主要参与甲烷氧化和硫酸盐还原，这些过程不仅维持了生态系统的稳定性，还影响了周围的化学环境。而在生物群落丰富的区域，微生物则更多地参与有机质的降解和转化，为生物群落提供了必要的营养和能量。这些功能的差异，进一步说明了冷泉生态系统中微生物群落的多样性和复杂性。

冷泉生态系统的研究对于理解深海生物地球化学和微生物生态学具有重要意义。该生态系统不仅为微生物提供了独特的生存环境，还反映了地球化学循环的动态过程。微生物群落的多样性与组成变化，揭示了环境异质性对生态系统功能的影响。此外，微生物群落的组装机制和共存模式，为研究生态系统稳定性与恢复力提供了重要线索。

综上所述，本研究通过分析海马冷泉不同区域的微生物群落，揭示了环境异质性对微生物多样性、组成和组装机制的深远影响。甲烷渗出区域的微生物群落主要由随机过程驱动，而生物群落丰富的区域则受到环境选择和物种间相互作用的双重影响。这些发现不仅深化了我们对冷泉生态系统中微生物群落形成机制的理解，还为未来研究提供了重要的理论依据和实践指导。冷泉生态系统的复杂性和多样性，使其成为研究极端环境下微生物适应性与生态功能的理想场所。