破解微生物“黑箱”：稳定同位素示踪技术揭示地下水生态系统中关键功能菌群的碳代谢网络

德国耶拿大学Martin Taubert团队通过稳定同位素标记技术(SIP)结合纳米孔测序，开发了SIsCA分析方法，首次实现单DNA分子水平追踪微生物群落中活性成员的碳代谢路径。该研究揭示了硫氧化细菌通过混合营养策略(mixotrophy)主导贫营养地下水的初级生产，为解析环境微生物功能提供了创新工具链，相关成果发表于《BIOspektrum》。

　　

微生物世界如同地球生态系统的隐形引擎，承担着超过90%的生态功能，但长期以来其活动机制犹如“黑箱”。尤其在贫营养环境如地下水中，微生物如何分配有限资源、哪些种群驱动关键物质循环等问题悬而未决。传统宏基因组技术仅能揭示“谁在场”，却无法回答“谁在干活”这一核心问题。德国耶拿大学与微宇宙平衡卓越集群的Martin Taubert研究组历时15年攻关，开创性地将稳定同位素标记与单分子检测技术结合，绘制出微生物功能活动的动态图谱。

研究团队主要采用三大核心技术：1) 稳定同位素探测(Stable Isotope Probing, SIP)利用¹³C或氘(D)标记底物追踪微生物代谢流；2) 稳定同位素簇分析(Stable Isotope Cluster Analysis, SIsCA)通过质谱检测同位素掺入模式，定量重建碳利用网络；3) 纳米孔测序直接检测DNA中D标记，实现单细胞活性与基因组关联分析。

【揭示硫氧化细菌的代谢可塑性】
通过SIsCA分析¹³C标记的肽段信号，发现硫氧化细菌在地下水中采用从严格自养到混合营养(mixotrophy)的连续代谢策略。这些细菌既能氧化还原性硫化物获取能量，又能同化有机碳化合物，这种代谢灵活性使其在贫营养环境中占据生态优势。

【纳米孔测序突破单分子检测】
创新性地使用D₂O标记活细胞DNA，首次实现纳米孔测序直接读取D掺入位点。该技术克服了传统SIP需要超高速离心的局限，使微生物活性检测通量提升百倍，为复杂样本快速筛查提供了新范式。

【构建碳流定量模型】
整合宏蛋白质组与SIsCA数据，建立了首套地下水微生物碳流分配数学模型。该模型显示，硫氧化细菌贡献了超过60%的初级生产力，其代谢产物通过交叉喂养(cross-feeding)支撑了整个群落的生存。

这项研究的意义在于：方法学上，SIsCA+D-纳米孔测序形成了微生物功能解析的技术闭环；理论上，揭示了贫营养环境中微生物通过代谢可塑性维持生态位的新机制；应用层面，为地下水生态修复提供了关键功能菌群筛选标准。正如Taubert强调的：“我们终于拥有了打开微生物黑箱的金钥匙——不仅能看见微生物，还能看见它们正在做什么以及如何协作”。论文建立的同位素标记-单分子检测技术框架，正在被拓展应用于土壤、海洋等复杂生态系统研究。