综述：通过理论、生物能量学和数值模型探究大气微生物生态系统——空气微生物学的新鲜空气

这篇综述创新性地提出运用理论建模方法（如生物能量学计算和数值模拟）解决大气微生物生态研究的瓶颈问题，系统探讨了地球大气层作为潜在微生物生态系统的理论框架，重点分析了极端条件下（低氧、UV辐射、低温）微生物代谢活性（ATP生成、Gibbs自由能）与大气化学组分的相互作用机制，为理解全球生物地理分布（aeromicrobiome）和行星生命极限提供了新视角。

　　

地球大气层可能是地球上最大却最未被了解的微生物生态系统。尽管研究表明微生物能在这种包含低温、强紫外线、干燥和低营养的极端环境中存活，但大气是否真正维持着活跃的微生物群落仍是个悬而未决的问题。传统实验方法受限于大气低生物量、采样污染风险等技术难题，而理论建模为此提供了突破性的研究路径。

大气层的生物活性区

地球大气的对流层和平流层下部（20-25公里）被认为是潜在的生物活性区域，这里集中了75%的大气物质和大部分水汽。臭氧层构成了微生物生存的极限边界，但某些极端微生物（如耐辐射奇球菌Deinococcus radiodurans）可能突破这个限制。气溶胶作为微生物载体呈现三种形态：单相（自由漂浮细胞）、双相（液滴包裹）和三相（含固体颗粒），不同类型的生物气溶胶通过改变pH值、营养浓度和氧化应激水平，显著影响微生物的生存策略。

生命维持的能量博弈

通过建立微生物代谢功率模型（图2），研究者定义了三种代谢状态：高活性状态（P_Cat≥P_Cell）、仅维持状态（P_Cell>P_Cat≥P_Maint）和死亡状态（P_Cat<>_S）。关键发现是：大气微生物必须平衡能量获取（如氧化H₂、CH₄等痕量气体）与维持需求（约20%细胞质量的水膜保护），而胞内储能（内源性分解代谢P_E）可能决定其大气停留期间的存活时限。

理论建模的创新应用

研究者提出"自下而上"的建模策略（表1），整合了六大要素：1）大气化学组成（如21% O₂主导的好氧环境）；2）气溶胶多相系统（亨利定律控制的气液平衡）；3）生物膜形成代价（EPS合成能耗）；4）pH动态（影响Gibbs自由能计算）；5）运输轨迹（如FLEXPART模型预测）；6）时空维度（3D气候模型耦合）。特别值得注意的是，通过非标准吉布斯自由能计算和ATP平衡法，发现硫歧化等新型代谢可能在酸性气溶胶中提供生存优势。

跨学科研究前景

该领域突破需要三方面协同：1）开发大气模拟舱（如CAMS模型）重现多极端条件；2）应用单细胞活性检测技术；3）整合极端微生物数据（如氧化大气H₂的细菌）。这些进展将解答大气是否真正存在微生物生态互作，或仅是物理过滤系统——例如南半球研究显示，大气运输会选择性地将特定耐胁迫菌群（如Planococcus halocryophilus）输送到南极。无论结论如何，这项研究都将重塑我们对全球生物地理格局和地外生命适居带的认知框架。