海洋洞穴生态系统中的化能合成作用：揭示光照区黑暗生境中微生物群落的功能分化与初级生产新机制

《The ISME Journal》：Chemosynthesis enables microbial communities to flourish in a marine cave ecosystem

本研究针对海洋光照区内黑暗生境（如海洋洞穴）中化能合成作用（chemosynthesis）的生态功能尚不明确的问题，通过多组学与生物地球化学相结合的方法，揭示了从洞穴入口到内部13米样带中微生物群落从光养主导向化能合成主导的功能转变。研究发现内部洞穴微生物多样性更高，且富集了能够利用H2、CO、NH4+和S2-等无机底物进行碳固定的化能合成菌群，其细胞特异性代谢速率显著高于入口群落。该成果发表于The ISME Journal，为理解浅海黑暗生境的微生物碳循环提供了新视角。

　　

在广袤的海洋中，光合作用长期以来被认为是驱动初级生产的主要过程。然而，近年来科学家们逐渐认识到，一种更为古老的代谢方式——化能合成（chemosynthesis），即微生物利用无机化合物的化学能而非光能来固定二氧化碳并合成有机质，在海洋生态系统中扮演着比以往认知更为重要的角色。尽管在光照充足的海洋表层，化能合成通常处于从属地位，但在光照区内的无光栖息地（如海洋洞穴、裂隙）中，其生态功能却鲜为人知。这些独特的界面环境，连接着海岸带海洋与地下环境，因其取样困难而成为微生物生态学研究中的空白地带。

为了深入探究这一科学问题，由Francesco Ricci和Chris Greening领导的研究团队选择澳大利亚菲利浦港海湾一处约30米深的花岗岩海洋洞穴作为天然实验室，系统研究了从洞穴入口到内部13米样带上沉积物微生物群落的组成、功能和活性。他们的研究成果发表在微生物生态学领域权威期刊《The ISME Journal》上，揭示了即使在传统上由光合作用主导的光照区，化能合成也能维持丰富的微生物生态系统。

研究者们综合运用了基因组学、生物地球化学测量和同位素技术等多种手段。他们通过SCUBA潜水采集了洞穴入口、中部（6.5米）和最内部（13米）的沉积物样本及海水样本，进行了物理化学参数分析。利用宏基因组测序（Illumina NovaSeq X Plus平台）和多种分箱算法（Vamb、MetaBAT、CONCOCT、SemiBin）重建了132个细菌、古菌和真核生物的高质量宏基因组组装基因组（MAGs和eMAGs）。通过定制代谢标记基因数据库对功能基因进行注释，并利用体外培养实验测定了氧气消耗、痕量气体（H₂、CO）氧化、硝化作用以及放射性同位素（¹⁴CO₂）标记的碳固定速率，同时分析了稳定碳同位素组成（δ¹³C）和叶绿素a含量。

洞穴环境梯度塑造了微生物群落结构

研究发现，从洞穴入口到内部，光照强度急剧下降至完全黑暗，沉积物粒度变细，表明水动力扰动减弱。尽管水体始终保持高氧状态，但沉积物的物理化学性质发生了显著变化，内部洞穴pH略低，总有机碳（TOC）含量也低于入口处，但仍高于澳大利亚其他海域的表层沉积物，暗示了内源化能合成初级生产和外源光合作用产物的横向输入共同作用。微生物群落分析显示，内部洞穴具有最高的微生物多样性，尽管其16S rRNA基因拷贝数最低。群落结构在洞穴不同区域及与海水之间均存在显著差异，表明确定性过程是塑造这些环境微生物群落结构的主要驱动力。ζ多样性分析进一步证实了微生物群落沿环境梯度的转化和栖息地专性化。

功能特征区分洞穴通用种、入口特有种和内部特有种

研究共获得了132个覆盖14个门类的基因组。根据Levins指数将类群划分为特化种（specialist）、中间种（intermediate）和通用种（generalist）。50%的沉积物MAGs被归类为遍布洞穴系统的通用种，28.8%的特化种群定殖于有光的洞穴入口，10.4%定殖于内部。通用种具有比特化种更大的基因组大小和基因数量，反映了其更广泛的代谢途径和调控机制。入口特化种则表现出基因组精简的趋势。代谢预测表明，洞穴通用种是代谢灵活的微生物，能够利用多种能源、碳源和电子受体。有机器官营养广泛存在，同时利用一碳化合物和自养（包括光合和化能合成）也是其部分能力。内部特化种则富集了利用无机化合物（如H₂、CO、S^2-）进行化能合成的类群，以及硫酸盐还原、反硝化等厌氧代谢途径，表明内部洞穴为化能合成活动提供了有利环境。

内部洞穴环境富集化能合成群落

基因中心宏基因组学分析揭示了微生物代谢沿样带的转变。光合系统相关基因在内部洞穴显著减少，而无机化合物氧化基因则更加丰富，尤其是[NiFe]-氢化酶（hydrogenase）和厌氧一氧化碳脱氢酶（cooS）。内部洞穴也富集了与厌氧呼吸（如反硝化、硫酸盐异化还原）相关的基因，这些途径的副产物可能为化能合成提供燃料。自养碳固定途径的潜力在整个洞穴都很高，尤其在内部环境，Calvin-Benson-Bassham (CBB)循环、Wood-Ljungdahl途径和4-羟基丁酸途径（4-hydroxybutyrate pathway）的标记基因在内部洞穴显著富集。线性相关分析表明，CO₂固定基因与无机化合物氧化基因而非光捕获基因密切相关，证实了化能合成的主导地位。

化能合成代谢在洞穴环境中活跃进行

体外生物地球化学测定验证了基因组预测。内部洞穴介导了更高的体积好氧呼吸速率。洞穴群落好氧消耗H₂和CO，并进行氨氧化。当标准化为细胞丰度后，内部洞穴群落的H₂和CO氧化细胞特异性速率显著高于入口，而硝化速率略低。放射性同位素（¹⁴C）标记实验显示，在内部洞穴，添加H₂和CO显著刺激了¹⁴CO₂的掺入，而NH₄⁺或S^2-的刺激作用不明显。稳定碳同位素（δ¹³C）分析表明洞穴有机质主要来源于CBB循环的碳固定。

本研究最终得出结论，海洋洞穴内存在的显著物理化学梯度塑造了适应局部条件的微生物群落。代谢灵活的通用种与占据明确生态位的特化种共存：入口群落依赖光能，而内部特化种则越来越依赖无机化合物进行能量获取和碳固定。内部洞穴的持续黑暗、有限的有机碳输入、减弱的水流和氧化还原梯度为化能合成微生物创造了理想条件，这些微生物利用输入洞穴或在洞穴内由其他微生物（如发酵菌和硫酸盐还原菌）产生的无机化合物。

这项研究强调了化能合成支持的生态系统并不局限于深海或极端环境，它们也可以在光照区内的无光栖息地形成。类似的光照和水动力梯度存在于许多其他海洋环境中，化能合成可能在构建生态互动和生物地球化学过程中扮演重要角色。这些结果支持了新兴的范式，即化能合成对海洋初级生产力的贡献远比之前认为的要大，并揭示了隐蔽和沿岸栖息地中存在的巨大潜在生产力。