微生物好气营养驱动多样化洞穴生态系统的持续初级生产

《Nature Communications》：Microbial aerotrophy enables continuous primary production in diverse cave ecosystems

本刊推荐：为揭示光照稀缺洞穴生态系统中微生物群落的能量与碳源获取机制，研究人员通过宏基因组学与生物地球化学剖面分析，开展了关于洞穴微生物初级生产过程的主题研究。结果表明，超过半数的微生物细胞能够利用大气痕量气体（H2、CO、CH4）作为能量与碳源，其中γ-变形菌门甲烷氧化菌（Ca. Methylocavales）和放线菌门氢氧化菌是主要的化能自养初级生产者。这一被定义为“好气营养（aerotrophy）”的过程，揭示了洞穴生态系统独特的微生物多样性与生物地球化学过程，对理解地下生态系统的能量流动具有重要意义。

　　

在深邃、潮湿且与世隔绝的洞穴中，阳光几乎无法触及，却依然孕育着丰富而多样的微生物生命。长期以来，一个核心科学问题困扰着研究人员：在这些能量和有机碳输入极为有限的地下世界中，微生物群落是如何维持生存甚至繁衍的？传统的观点认为，洞穴微生物主要依赖外部输入的有机质（异养营养），或利用岩石中微量的还原性无机物（如硫化物、铵盐）进行化能合成。然而，这些外部输入往往不稳定，而岩源性无机物含量通常极低，难以支撑观测到的高密度微生物群落。因此，洞穴生态系统维持其生命活动的底层能量来源始终是个谜。

为了解开这个谜团，一个国际研究团队将目光投向了无处不在的大气本身。大气中含有多种痕量气体，如氢气（H₂）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH₄）。此前研究已证实，这些气体是南极沙漠等贫营养环境中微生物重要的能量和碳源。那么，在洞穴这一相对稳定、湿润且通气的环境中，大气痕量气体是否也能成为维持微生物生命的基石？为了探究这一问题，研究人员对澳大利亚东南部的四个石灰岩和玄武岩洞穴进行了深入的综合研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究者综合运用了宏基因组学、生物地球化学测量、稳定同位素分析和放射性同位素示踪等技术。他们对从洞穴入口到深处不同区域的沉积物和生物膜进行了采样（共94个样本），通过宏基因组测序和分箱获得了1458个高质量宏基因组组装基因组（Metagenome-Assembled Genomes, MAGs）。同时，他们测量了洞穴大气和沉积物-大气界面的痕量气体通量，并通过微宇宙培养实验测定了H₂、CO、CH₄的氧化速率以及铵盐和硫化物的氧化速率。此外，还分析了生物质的碳稳定同位素（δ¹³C）组成，并利用¹⁴C-CO₂标记实验评估了黑暗条件下、氢气和光照下的二氧化碳固定能力。

微生物群落组成与代谢潜能

研究发现，洞穴微生物群落多样，优势门类包括放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteriota）等。从洞穴入口到内部，微生物丰度和丰富度显著下降。更为关键的是，基于MAGs和基因标记的分析揭示，超过一半的微生物细胞编码有氧化大气痕量气体（H₂、CO、CH₄）的关键酶，其基因丰度从入口到内部显著增加。与此相反，光合作用基因的丰度在洞穴内部急剧下降。这表明洞穴生态系统存在从光能合成向化能合成的转变。

未培养微生物驱动洞穴能量获取与初级生产

研究进一步锁定了几类关键的微生物功能群。其中最丰富的是一些此前未充分认识的放线菌，如假诺卡氏菌科（Pseudonocardiaceae）和Egibacteraceae的成员，它们同时编码高亲和力的组1h [NiFe]-氢化酶、一氧化碳脱氢酶和用于卡尔文-本森-巴斯汉循环（Calvin-Benson-Bassham cycle, CBB循环）的I型E RubisCO，表明它们能够通过氧化H₂和CO来固定CO₂，是潜在的化能自养初级生产者。同时，研究还发现了一个新的γ-变形菌目，将其命名为甲基洞穴菌目（Methylocavales），它们编码颗粒状甲烷单加氧酶，是洞穴中富集的、能够氧化大气浓度甲烷的微生物。

痕量气体氧化与硝化、硫化作用同时发生

生物地球化学测量为基因预测提供了实证。原位测量显示，洞穴内部大气中的H₂、CO和CH₄浓度普遍低于入口处，表明存在消耗。微宇宙培养实验进一步证实，几乎所有样本中的微生物群落都能快速消耗这些痕量气体至低于大气浓度的水平。此外，实验也检测到了铵盐氧化（硝化作用）和硫化物氧化的活性，表明岩源性无机能源的利用同样存在，但在多数情况下，其重要性可能次于痕量气体氧化。

2、CO和CH₄的原位、离体和细胞水平能量产出测量。a-d 分别显示了原位大气浓度、净消耗通量、细胞特异性氧化速率和细胞能量产出。e 显示了氮硫化合物代谢速率。'>

痕量气体氧化为群落提供碳和能量

热力学计算表明，H₂和CH₄氧化产生的细胞水平能量输出，足以支持这些氧化菌的生长和存活。生物质的δ¹³C值偏负，与通过CBB循环固定的碳同位素分馏特征一致，并且与rbcL（编码RubisCO大亚基）基因的丰度显著相关，这强有力地证明了由氢氧化驱动的化能自养是洞穴中有机碳的重要来源。¹⁴C-CO₂标记实验直接观测到了在氢气刺激下的黑暗CO₂固定，其速率显著高于基础黑暗条件，而光合碳固定仅局限于洞穴入口。甲烷氧化菌对甲烷碳的同化也对生物质碳库有所贡献。

13C值分布。b 碳同化标记基因丰度比及其与δ¹³C值的关联。c 甲烷碳同化速率。d ¹⁴C-CO₂固定速率。'>

好气营养是洞穴生态系统的关键过程

综上所述，这项研究通过多组学与生物地球化学证据相结合，有力地证明了“好气营养”（aerotrophy）是支撑多种洞穴生态系统微生物生命的关键过程。好气营养被定义为利用大气痕量气体作为能量和碳源进行生长的过程。在洞穴中，这一过程主要由能够氧化甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳的微生物驱动，实现了持续的初级生产。这使得洞穴区别于主要依赖痕量气体维持长期存活（而非旺盛生长）的极地土壤生态系统。好气营养与基于岩源性无机物（如铵、硫化物）的化能合成以及外部有机碳输入共同作用，塑造了洞穴独特的微生物多样性和生物地球化学循环。该研究不仅深化了我们对地下生态系统能量来源的理解，也揭示了微生物在利用极低浓度资源方面非凡的适应性，对研究地球早期生命乃至地外生命可能的存在形式具有启示意义。