深海热液喷口化学合成生物膜微生物组的时空分布特征及其生态功能解析

研究人员针对深海热液喷口生物膜微生物群落的空间分布与时间演替规律展开研究，通过16S rRNA转录组测序和宏转录组分析，揭示了Campylobacterota（如Sulfurimonas和Sulfurovum）作为先锋定殖者的关键作用，阐明了生物膜年龄、温度和硫化物浓度对群落结构的调控机制，为理解极端环境下微生物生态系统的构建与功能提供了新视角。

　　

在浩瀚的深海底部，热液喷口如同生命的绿洲，孕育着独特的生态系统。这些极端环境中，化学合成微生物通过氧化还原反应获取能量，形成复杂的生物膜群落，成为整个食物链的基础。然而，这些微生物如何在时空尺度上分布？环境因素与宿主如何共同塑造它们的群落结构？这些问题长期困扰着科学家。来自罗格斯大学（Rutgers University）的研究团队在《Environmental Microbiome》发表的研究，为解开这些谜题提供了重要线索。

研究团队聚焦东太平洋海隆9°50′N热液区的生物膜，采用创新的微生物定殖装置和原位采样策略，结合环境参数同步监测，揭示了从新形成到成熟生物膜的动态变化规律。关键技术包括：（1）部署不锈钢网微生物定殖器获取不同龄期生物膜；（2）16S rRNA转录组测序分析活性微生物群落；（3）宏转录组比较海底与浅表层生物膜功能差异；（4）多电极传感器同步测定温度、硫化物和pH梯度。

研究结果

Habitat biogeochemical characterization

热液区生物地球化学特征显示，Alvinella栖息区温度（29-75°C）和硫化物浓度（155-413 μM）最高，Riftia区（6.6-15.4°C；5-87 μM）和贻贝区（5.7-8°C；12-24 μM）依次递减，环境参数与生物膜组成显著相关。

Comparative alpha diversity analysis

α多样性分析表明，新形成生物膜以Campylobacterota（平均86.2%）为主导，而成熟生物膜多样性显著增加（Shannon指数提升1.5-2倍），Gammaproteobacteria和Bacteroidia等类群比例上升，证实群落随生物膜成熟而复杂化。

Diversity of the active microbial biofilm communities

16S rRNA转录组揭示Sulfurimonas（47%）和Sulfurovum（23%）是先锋定殖的核心类群。Alvinella相关生物膜中Thioreductor属（10%）特异性富集，反映高温高硫环境的特殊选择压力。

Microbial community structure across bioregimes

PCoA分析显示Campylobacterota与温度（rho=0.58）、硫化物（rho=0.52）呈正相关，而Gammaproteobacteria呈负相关（rho=-0.80/-0.65），证实环境梯度驱动物种分区。

Comparative analysis of the animal-associated biofilms

核心微生物组分析发现Riftia区独有ASV占比最高（55%），包含Desulfobacteriaceae等硫循环菌；贻贝区富集Thiotrichaceae等化能自养菌，揭示宿主特异性筛选机制。

Expression of metabolic pathways

宏转录组比较显示：浅表层生物膜富集氢化酶（Hyf，219倍）和Wood-Ljungdahl途径基因，海底生物膜高表达硫氧化（sox/sqr）和ROS防御（ccp/sor）基因，反映氧化还原梯度下的代谢适应策略。

结论与意义

该研究首次系统阐明了深海热液喷口生物膜从先锋定殖到成熟群落的演替规律，提出"环境梯度-宿主筛选-时间演替"三位一体的群落构建模型。发现Campylobacterota通过代谢可塑性（如rTCA循环固碳、Nap途径硝酸盐还原）在极端环境中占据生态位优势，其转录调控差异（如浅表层富氢代谢vs海底富硫代谢）为理解深海微生物的环境适应提供了分子证据。研究成果不仅深化了对深海生态系统能量流动的认识，也为地外生命探测提供了类比模型。