百万年铁质湖泊沉积记录揭示深部生物圈的底物驱动机制与有机质矿化过程

为解决铁质缺氧水体中深部生物圈功能机制这一科学难题，研究人员以印尼托武蒂湖百万年沉积岩芯为研究对象，结合16S rRNA基因测序、孔隙水地球化学和细胞计数等多维数据，首次系统揭示了Bathyarchaeia主导的微生物群落如何驱动有机质逐步矿化为CO2和CH4，为早期地球海洋铁质环境的生物地球化学循环提供了现代类比模型。

　　

在探索地球生命极限的前沿领域，深部生物圈始终是充满谜团的科学疆界。以往研究多聚焦于海洋 subsurface 环境，而对陆地湖泊——尤其是具有早期地球海洋类比价值的铁质(ferruginous)湖泊——的深部微生物生态知之甚少。印尼托武蒂湖因其独特的缺氧、富铁、低硫酸盐水体条件，成为研究 Proterozoic 时期海洋微生物过程的天然实验室。然而，百万年时间尺度下沉积环境变迁如何塑造微生物群落？铁质条件下有机质降解有哪些特殊路径？这些关键问题亟待解答。

德国地学研究中心(GFZ)领衔的国际团队通过国际大陆钻探计划(ICDP)，获取了托武蒂湖113米沉积岩芯。研究整合了16S rRNA基因高通量测序、SYBR Green I细胞计数、二维离子色谱-质谱(2D-IC-MS)等技术，构建了迄今最完整的湖相深部生物圈档案。

微生物群落垂向分异揭示底物选择压力
通过分析40个层位的7975个ASVs(扩增子序列变体)，发现表层0-20米沉积物(Unit 1a)存在高多样性群落，含30% Chloroflexota和15% Desulfobacterota，对应活跃的硫酸盐还原(SRR达30 pmol·cm^-3·d^-1)；而20-70米(Unit 1b)则演替为Bathyarchaeia单极主导(88.4%)的低多样性群落；70-100米(Unit 1c)因陆源有机质输入重现多样性提升。这种分层模式与孔隙水中VFAs(乙酸、丙酸等)的阶梯式降解过程高度耦合。

铁质环境特有的生物地球化学指纹
地球化学剖面显示，电子受体(O₂、NO₃^-、SO₄^2-)在10米内快速耗尽，伴随Fe²⁺释放和自生矿物(菱铁矿、蓝铁矿)沉淀。特别在火山灰层(51.5/87.5米)出现SO₄^2-异常(>5000 μM)，触发局部Desulfobacterota复苏，证实沉积事件可长期影响微生物生态位。

Bathyarchaeia的代谢霸权
系统发育分析揭示280个跨越所有地层的保守ASVs中，Bathyarchaeia通过Wood-Ljungdahl途径将CO₂固定与有机质降解耦合，在能量限制条件下超越氢营养型产甲烷菌。这种代谢策略使其在百万年尺度下仍保持活性，推动DIC持续累积至100米深处(5 mM)。

该研究首次证实：1) 铁质湖泊沉积的微生物群落结构同时受短周期(如火山事件)和长周期(如气候驱动的水文变化)环境变迁影响；2) Bathyarchaeia作为"微生物暗物质"代表，通过多底物利用能力主导封闭系统的碳转化；3) 特定岩性(硅藻软泥、泥炭层)可保存原始沉积信号。这些发现不仅为解读早期地球生物地球化学循环提供新范式，也为外星生命探测中的生物标志物选择提供了理论依据。论文的创新性在于将现代微生物过程与地质记录直接关联，被《Microbial Ecology》选为揭示极端环境生命策略的典范研究。