意大利石膏洞穴沉积物与生物膜中微生物及地球化学多样性的多组学解析

本研究针对意大利Emilia-Romagna和Sicily地区石膏洞穴的微生物生态学空白，通过高通量测序和地球化学分析揭示了沉积物、水体微生物聚集体及壁面生物膜的群落结构差异。研究发现Crossiella（放线菌门）主导壁面生物膜，而Campylobacterota（弯曲菌门）富集于含硫泉水聚集体，首次提出石膏洞穴特有微生物群落与硫循环的关联机制，为极端环境微生物适应研究提供新范式。

　　

石膏洞穴中的微观世界：硫循环驱动的微生物王国

地下洞穴常被视为生命禁区，但意大利Emilia-Romagna和Sicily地区的石膏洞穴却孕育着独特的微生物生态系统。这类由硫酸钙（CaSO₄·2H₂O）构成的洞穴因溶解速度快、pH波动大，形成了与石灰岩洞穴截然不同的极端环境。尽管前人研究多聚焦碳酸盐岩洞穴的微生物生态，石膏洞穴中微生物如何适应高硫酸盐（SO₄^2-）环境、参与硫循环等关键问题仍悬而未决。

西班牙塞维利亚自然资源与农业生物学研究所（IRNAS-CSIC）联合意大利博洛尼亚大学等团队，选取Re Tiberio、Befana和Santa Ninfa三处典型石膏洞穴，采用Illumina MiSeq高通量测序（16S rRNA V3-V4区）结合场发射扫描电镜（FESEM）和地球化学分析，首次系统揭示了不同微生境（沉积物、水体聚集体、壁面生物膜）的微生物群落结构。研究发现：壁面白色生物膜由放线菌门（Actinomycetota）主导（相对丰度31.67-68.06%），其中Crossiella占比高达48.28-66.01%，而Befana洞穴的含硫泉水聚集体中弯曲菌门（Campylobacterota）异常富集（25.44-36.88%），以Sulfurovum和Sulfurimonas为优势菌。这种生态位特异性分布揭示了石膏洞穴微生物对硫氧化/还原过程的适应性分化。

关键技术方法
研究团队采集16份样本（9沉积物、4壁面生物膜、3水体聚集体），通过Lifeguard溶液保存DNA，使用FastDNA SPIN Kit提取基因组，Qubit 2.0定量后对16S rRNA V3-V4区扩增（引物Bakt_341F/805R），Illumina MiSeq平台测序（2×300 bp）。数据经QIIME2流程处理，DADA2去噪，SILVA 138数据库注释。地球化学分析包括ICP-MS测定金属元素、离子色谱分析阴离子，辅以场发射扫描电镜（Cryo-FESEM）和共聚焦显微镜观察微生物形态。

研究结果解析

1. 地球化学特征塑造微生物栖息地
沉积物pH跨度大（3.77-8.0），其中Tiberio洞穴TB-3C样本呈强酸性（pH 3.77），硝酸盐（NO₃^-）含量高达1030 mg/kg，与其特有的Acidithiobacillaceae 9M32菌株（相对丰度27.32%）存在显著相关性。Befana洞穴泉水溶解性总固体（TDS）达3907.1 ppm，硫化物（HS^-）浓度7.3-36.2 ppm，为Campylobacterota的繁盛提供化学能基础。

2. 壁面生物膜的放线菌霸权

Santa Ninfa洞穴壁面生物膜中Crossiella占据绝对优势（60.08-86.01%），其分泌抗菌化合物（如聚酮类）的特性可能抑制真菌定植。而Befana洞穴泥质基底生物膜中放线菌门占比骤降至1.24%，代之以假单胞菌（Pseudomonas，27.69%），证实基质类型对群落构建的关键影响。

3. 硫循环驱动的泉水聚集体

Befana洞穴BF-3C样本中，Sulfurovum（19.16%）与Halothiobacillaceae（28.90%）形成硫氧化功能模块，而Desulfocapsa（16.87%）可能参与硫酸盐还原。这种群落结构与Frasassi硫酸洞穴的Beggiatoa主导体系迥异，表明石膏洞穴特有的硫循环路径。

4. 沉积物群落的趋同性
尽管三处洞穴沉积物地球化学参数差异显著（如Ninfa洞穴NF-7G有机碳1.02% vs. Tiberio TB-1A仅0.05%），微生物群落却呈现β多样性聚类（Bray-Curtis距离），主要菌门均为放线菌门（1.82-50.35%）和变形菌门（Pseudomonadota，23.00-92.16%），暗示沉积物环境对微生物的选择压力具有普适性。

结论与展望
该研究首次绘制了意大利石膏洞穴的三维微生物地理图谱，揭示Crossiella在壁面生态位的统治地位与Campylobacterota在硫泉的特殊适应策略。发现的无色硫氧化菌（如Sulfurovum）与硫酸盐还原菌（如Desulfocapsa）的共存，为理解极端环境下硫循环的微生物耦联机制提供新证据。未来研究可结合宏基因组学解析功能基因，并探究Crossiella在石膏生物风化中的作用。这些发现对洞穴生态系统保护、生物矿化研究乃至地外生命探测（如火星硫酸盐环境）均有启示意义。