一氧化碳氧化菌在火山沉积物中的奥秘探索：生理代谢特征与生态意义

为解决羧基营养菌研究不足及了解其在火山生态系统的生存策略问题，研究人员对火山沉积物中的羧基营养菌开展研究。从智利卡尔布科火山沉积物中分离出两种菌株，揭示其代谢特征与环境适应性。该研究增进了对羧基营养菌的认知，为理解微生物生态提供依据。

　　在神秘的火山世界里，土壤中微生物的活动就像一场看不见的 “魔法表演”。土壤作为一氧化碳（CO）的重要 “收纳箱”，每年能通过微生物的活动去除大量的 CO。在这个过程中，有两类特殊的微生物 —— 羧基营养菌（carboxydotrophs）和羧基利用菌（carboxydovores）发挥着关键作用。然而，目前对羧基利用菌的研究还相对较少，尤其是它们在像火山沉积物这样极端恶劣环境中的生存策略，仍然是一个谜团。为了揭开这些谜团，来自英国东安格利亚大学（University of East Anglia）、西班牙阿尔梅里亚大学（University of Almería）等机构的研究人员展开了深入的研究。
这项研究成果发表在《Environmental Microbiome》上。研究人员从智利卡尔布科火山（Calbuco Volcano）不同年份喷发形成的火山沉积物中采集样本，包括 2015 年的火山灰（tephra）和 1917 年的土壤。他们通过一系列实验，成功分离出两种羧基利用菌，分别是来自 2015 年火山灰的 Paraburkholderia terrae COX 和来自 1917 年土壤的 Cupriavidus ulmosensis sp. nov. CV2^T。
研究人员采用了多种技术方法。在样本采集方面，从不同年份的火山沉积物中获取土壤样本。通过 16S rRNA 基因测序，分析微生物群落组成；利用基因组测序，探究菌株的基因特征和功能；借助定量聚合酶链反应（qPCR），测定特定基因的丰度。这些技术为深入了解菌株的特性和在环境中的作用提供了有力支持。
在研究结果部分，首先是靶向富集和分离羧基利用菌。研究人员利用改良的富集策略，成功从火山沉积物中分离出两种菌株。通过 qPCR 检测发现，与这两种菌株相关的 coxL 基因在 2015 年火山灰层中的丰度显著高于 1917 年土壤层。
其次是对新分离菌株的基因组序列分析。结果显示，C. ulmosensis CV2^T与已知菌株的平均核苷酸同一性（ANI）和数字 DNA - DNA 杂交（dDDH）值表明它是一个新物种。两种菌株的基因组都包含与一氧化碳脱氢酶（CODH）相关的基因簇，但在一些功能基因上存在差异。例如，P. terrae COX 在运动、趋化性、碳水化合物代谢和硫代谢相关基因较多；C. ulmosensis CV2^T在膜转运、脂肪酸代谢和芳香化合物代谢相关基因更丰富。此外，C. ulmosensis CV2^T的基因组还显示出它具有利用除 CO 外的其他微量气体的能力，拥有编码 Ni - Fe 氢化酶的基因簇，而 P. terrae COX 则缺乏此类基因。
再者是对菌株生理和代谢特征的研究。两种菌株都能利用多种有机碳源，但存在差异。C. ulmosensis CV2^T对大多数测试糖类的利用能力较弱，而 P. terrae COX 能在更广泛的有机化合物上生长。在温度和盐度耐受性方面，两种菌株在 25 - 30°C 生长良好，在 37°C 生长受限，45°C 时无法生长；在盐度方面，两种菌株在 0 - 1% NaCl 环境下可生长，10% NaCl 则抑制生长。同时，两种菌株在 pH 耐受性上也有所不同，C. ulmosensis CV2^T能在 pH 5.0 - 8.0 的环境中生长，P. terrae COX 的适宜生长 pH 范围是 5.0 - 7.0。而且，C. ulmosensis CV2^T在生长过程中会产生大量胞外聚合物（EPS），这对其抵抗环境压力可能有重要作用。
然后是对菌株氧化高浓度 CO 能力的研究。两种菌株在液体培养中都能消耗 CO，但在不同浓度 CO 下的消耗情况有所不同。P. terrae COX 在较低浓度 CO（100 - 200 ppmv）下消耗 CO 的滞后时间较短，而 C. ulmosensis CV2^T在较高浓度 CO（5,000 - 10,000 ppmv）下消耗 CO 的滞后时间更短。
接着是研究生长条件和生长阶段对 CO 消耗的调控。研究发现，两种菌株在稳定期对 CO 的氧化速率都显著高于对数期。C. ulmosensis CV2^T在仅以丙酮酸为碳源培养时，稳定期氧化 CO 的能力较弱；而 P. terrae COX 在稳定期氧化 CO 的能力不受生长过程中碳源的影响。此外，pH 对两种菌株氧化 CO 的能力也有影响，C. ulmosensis CV2^T在 pH 8.0 时氧化 CO 的速率显著增加，P. terrae COX 在不同 pH 下的 CO 氧化速率存在差异，在 pH 6.0 时最低。
最后是对火山沉积物中微生物群落的研究。通过 16S rRNA 基因测序分析发现，2015 年和 1917 年火山沉积物中的微生物群落主要由变形菌门（Pseudomonadota）、放线菌门（Actinomycetota）和酸杆菌门（Acidobacteriota）组成。C. ulmosensis CV2^T和 P. terrae COX 所属的伯克霍尔德菌科（Burkholderiaceae）在不同年份的沉积物中相对丰度不同。同时，研究还发现 16S rRNA 基因多样性指数在不同年份的沉积物中相似，但群落组成存在差异。通过对 coxL 基因的分析发现，与变形菌门相关的 coxL OTUs 在 1917 年土壤层中更丰富，而在 2015 年火山灰层中，与放线菌门相关的 coxL OTUs 占主导。
在研究结论和讨论部分，研究人员成功从火山土壤中富集和分离出羧基利用菌，这为深入研究这类微生物提供了重要材料。两种新菌株展现出代谢灵活性，其基因组特征暗示了它们在恶劣火山生态系统中的适应性。它们能够氧化相对高浓度的 CO，为在饥饿状态下获取补充能量提供了可能。而且，两种菌株对 CO 氧化的调控方式不同，这为理解环境因素对 CO 循环的控制提供了新视角。在微生物群落层面，研究发现变形菌门在不同年份的沉积物中丰度相似，且整体群落多样性差异不大。许多 coxL OTUs 与 Paraburkholderia spp. 在系统发育上密切相关，这进一步证实了该属在 CO 氧化过程中的重要性。然而，研究也存在一些局限性，比如土壤样本在 4°C 储存可能会影响 DNA 质量，进而影响下游分析；用于构建分类器的 coxL 数据库序列有限，可能导致分类准确性降低。但总体而言，这项研究为我们深入了解羧基利用菌在火山生态系统中的多样性、生理代谢特征以及生存策略提供了宝贵的信息，对进一步研究微生物在极端环境中的生态功能具有重要意义。