南极半岛空气细菌群落：局地与区域来源贡献解析

《Scientific Reports》：Exploring local and regional contribution to airborne bacterial communities in the Antarctic Peninsula

本研究针对南极半岛空气微生物群落来源不明的问题，通过采集南极特别保护区的空气样本，结合16S rRNA基因测序和HYSPLIT气团轨迹模拟技术，发现拜尔斯半岛空气细菌79.4%的ASVs与本地土壤匹配，证实局地生态系统是主要来源；同时BA3与阿维安岛样本的相似性揭示区域尺度微生物传输。研究成果为理解极地微生物扩散机制及生态系统连通性提供新见解。

　　

在地球最南端的冰雪大陆，微生物如何跨越千里冰原进行迁徙？这个看似微小的问题，却关系到整个南极生态系统的命运。随着气候变暖加速，南极正经历着前所未有的环境变化，微生物的迁徙模式可能成为预测未来生态系统变化的關鍵指標。以往研究认为，南极的空气微生物多样性较低，但最新研究发现，这个认知可能需要被重新审视。

近期发表在《Scientific Reports》上的研究，通过深入分析南极半岛两个特别保护区的空气样本，揭示了令人惊讶的结果：这片看似纯净的天空中，竟然蕴藏着比预期丰富得多的微生物世界。更引人注目的是，这些空气中的微生物大部分并非远道而来，而是源自本地生态系统的"土著居民"。

关键技术方法

研究团队在南极半岛的拜尔斯半岛和阿维安岛两个特别保护区采集空气样本，使用Coriolis空气采样器收集54-162 m³空气，通过16S rRNA基因V3-V4区测序获得ASVs（扩增子序列变体）数据，结合HYSPLIT模型模拟5天气团反向轨迹，采用Bray-Curtis相异度进行β多样性分析，并通过PERMANOVA检验群落差异显著性。

微生物群落组成

通过对空气样本的深度测序分析，研究人员在拜尔斯半岛空气中鉴定出39个细菌门，其中假单胞菌门（Pseudomonadota）、放线菌门（Actinomycetota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和芽孢杆菌门（Bacillota）占据主导地位，占总读长的66%-91%。相比之下，阿维安岛的空气样本中检测到36个细菌门，群落组成呈现明显差异。特别值得注意的是，拜尔斯半岛土壤样本中放线菌门的相对丰度达到38%，远高于空气中该菌门的比例（14.5%-25.1%），这一发现为追溯空气微生物来源提供了重要线索。

微生物多样性测量

通过α多样性和β多样性分析，研究人员发现二月采集的样本（BA1、BA2、BA3）其丰富度和香农指数均高于三月样本（BA4、BA5）。非度量多维尺度分析（NMDS）显示，拜尔斯半岛的空气样本聚集在一起，与阿维安岛样本和拜尔斯土壤样本明显分离。这一空间分布模式经PERMANOVA分析确认具有统计学显著性（p=0.03），表明不同地理位置确实拥有独特的空气微生物群落特征。

ASV水平比较分析

研究团队采用高分辨率的ASV分析方法，在拜尔斯半岛空气中鉴定出5,433个细菌ASV。其中，Core80-BA（在80%样本中均存在的核心群落）包含384个ASV，占总读长的57.9%。令人惊讶的是，79.4%的Core80-BA ASV与本地土壤细菌匹配，证实了局地生态系统对空气微生物群落的显著影响。而在两个地点空气和拜尔斯土壤中共同存在的15个ASV（SharedASV-3），其溯源分析显示这些微生物在南极半岛和东南极的冰雪土壤中均有分布，暗示着区域尺度微生物扩散的可能性。

气团反向轨迹特征

通过HYSPLIT模型模拟的5天气团轨迹显示，所有样本的气团均经过海洋路线。然而，BA3样本和阿维安岛样本的气团轨迹表现出独特特征：它们以较低高度（1,000-3,000米）飞行，速度较慢，且更接近南极半岛海岸线。这种轨迹特征与两个样本微生物群落的高度相似性相吻合，为解释区域微生物传输提供了气象学证据。

研究结论与意义

这项研究首次系统揭示了南极半岛空气微生物群落的双重来源特征：既受局地生态系统的强烈影响，又存在区域尺度传输现象。拜尔斯半岛空气中近80%的微生物与本地土壤同源，证实了局地生态系统作为微生物"源"的重要作用。同时，气团轨迹与微生物群落相似性的关联性表明，区域大气环流是驱动微生物跨区域扩散的关键因素。

研究发现的Core80-BA核心群落中包含的Paenibacillaceae（20.14%）、Psychromonadaceae（8.3%）等菌科，不仅在南极土壤中广泛存在，还具有形成孢子、抵抗寒冷和辐射的特性，这些特征使其特别适合在大气中传播和存活。此外，空气中检测到的海洋来源微生物（如Granulosicoccaceae、Colwelliaceae）和动物相关微生物，进一步证明了空气作为连接南极不同生态系统的"微生物高速公路"的功能。

随着南极气候变暖加剧，微生物的扩散模式可能发生改变，进而影响整个南极生态系统的结构和功能。这项研究为预测未来南极生物多样性变化提供了重要基线数据，也为理解全球范围内微生物扩散机制提供了极地案例。研究结果强调，在评估极地生态系统对气候变化的响应时，必须考虑大气微生物传输这一关键过程，因为即使是肉眼不可见的微生物，也在南极生态系统的过去、现在和未来中扮演着不可或缺的角色。