进退维谷：黄石公园温泉微生物群落的δ15N值及其在岩石记录中的保存潜力

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Between a Rock and a Soft Place: Biomass δ15N Values of Yellowstone Hot Spring Microbial Communities and Their Potential for Preservation in the Rock Record

本研究通过分析黄石国家公园八个热泉区的微生物群落氮同位素δ1?N信号及其硅质凝结核的保存特性，验证了利用δ1?N推断古环境氮代谢的可行性与局限性，强调地质环境和保存偏差对信号解读的重要性。

　　在研究地球早期生命活动与氮循环的关系时，氮同位素（δ1?N）在古代岩石中的存在被认为能够揭示氮代谢活动和固定氮的可用性。然而，关于这些同位素信号的来源、其与微生物群落的相互作用，以及这些信号在岩石记录中的保真度，仍然存在许多未解之处。因此，研究现代微生物系统成为验证δ1?N信号作为地质环境和氮代谢标志的关键途径。热液系统因其丰富的地质环境多样性以及缺乏多细胞真核生物的干扰，被认为是评估这些信号的理想场所。

氮代谢活动，特别是生物固氮，是维持生命的重要过程之一。氮元素对于DNA、RNA和氨基酸的合成至关重要，并且是许多细菌和古菌进行能量代谢的核心物质。研究表明，固定氮的可用性可能在远古时期限制了生物圈的规模，因为钼元素的缺乏可能影响了固氮酶（nitrogenase）的活性。然而，越来越多的证据表明，生物固氮在远古时期就已经存在，这使得δ1?N值成为研究氮循环和地质环境的重要工具。通过分析δ1?N值，可以推测古代岩石中是否存在氮代谢过程，但这些信号的解释必须结合具体的地质环境背景。

为了进一步理解δ1?N信号的可靠性，研究人员对黄石国家公园内的八个热液系统进行了系统研究。这些系统覆盖了广泛的温度和pH值范围，为评估不同环境对氮代谢和同位素信号的影响提供了丰富的样本。研究发现，微生物群落的δ1?N值受到多种因素的影响，包括固定氮的可用性、pH值、温度以及微生物之间的相互作用。在酸性环境中，微生物的δ1?N值通常为负值，而在中性或碱性环境中则接近零或为正值。这种差异可能与氮代谢过程（如固氮、硝酸盐还原等）的活跃程度有关。

此外，研究还发现，硅质烟囱（siliceous sinters）中保存的δ1?N值范围较窄，这表明这些沉积物在形成过程中可能丢失了部分信号的保真度。硅质烟囱的形成通常与热液系统的物理和化学过程密切相关，如硅的沉淀和微生物活动。然而，由于这些沉积物在形成过程中经历了早期的成岩作用，它们可能无法完整地保留微生物群落的氮同位素信号。因此，利用δ1?N值解释古代岩石中的氮代谢活动时，需要特别注意这些信号可能受到的地质环境和保存过程的影响。

研究还探讨了δ1?N值在不同地质环境中的分布规律。在酸性热液系统中，由于挥发性氮（如NH?）的大量输入，微生物群落的δ1?N值通常较低。而在中性或碱性环境中，由于氮的生物固氮作用，δ1?N值可能接近零或为正值。这种趋势可能反映了不同环境对氮代谢活动的促进或抑制作用。例如，在pH值较高的环境中，微生物更有可能进行固氮活动，而在pH值较低的环境中，固氮酶的活性可能受到抑制。

同时，研究还发现，氮固氮基因（nifH）的分布与热液系统的pH值、温度和来源密切相关。在pH值较高的环境中，nifH基因的出现率显著提高，这表明这些环境可能更有利于固氮微生物的生存和活动。此外，温度和热液来源也影响了nifH基因的存在。例如，在pH值较高且温度适中的环境中，固氮微生物的活动可能更为活跃，而在高温或低pH值的环境中，固氮基因的出现率较低。

硅质烟囱的δ1?N值通常低于微生物群落的δ1?N值，这可能与保存过程中的信号衰减有关。硅质烟囱的形成可能受到多种因素的影响，如pH值的变化、温度的波动以及微生物活动的强度。这些因素可能导致硅质烟囱中保存的氮同位素信号与原始微生物群落的信号存在偏差。因此，在解释古代岩石中的氮同位素信号时，需要考虑这些保存偏差，避免对氮代谢活动的误判。

研究还发现，微生物群落的δ1?N值与地质环境的相互作用可能比之前认为的更为复杂。例如，在某些热液系统中，尽管存在大量的NH??，但固氮活动仍然可以发生。这表明，固氮微生物可能在氮的生物可利用性较低的环境中依然活跃，尤其是在竞争激烈的生态系统中。此外，热液系统中的微生物群落可能受到多种代谢过程的影响，如硝酸盐还原、氨氧化等，这些过程也可能对δ1?N值产生影响。

通过分析这些数据，研究者发现，热液系统的地质环境和微生物群落的特性对δ1?N信号的形成和保存具有重要影响。例如，在酸性环境中，由于NH??的大量输入，微生物的δ1?N值通常较低，而在中性或碱性环境中，由于固氮活动的增强，δ1?N值可能接近零或为正值。这些发现表明，δ1?N值的解释需要结合具体的地质环境和微生物群落的活动特征。

此外，研究还强调了保存偏差对δ1?N信号解释的重要性。硅质烟囱的形成过程可能导致部分氮同位素信号的丢失或改变，尤其是在高温或低pH值的环境中。因此，在利用δ1?N值解释古代岩石中的氮代谢活动时，必须考虑到这些保存过程对信号的影响，避免对地质环境和微生物活动的误判。

总的来说，这项研究揭示了氮同位素信号在现代热液系统中的复杂性，以及其在古代岩石记录中的保真度问题。通过结合多种分析方法，包括水化学分析、微生物群落的δ1?N值测定以及nifH基因的检测，研究人员能够更全面地理解这些信号的来源和保存过程。这些结果对于解释古代岩石中的氮代谢活动具有重要意义，同时也为未来研究提供了新的方向和方法。