美国华盛顿州卤碱性和分层混合水体皂湖中栖息的原核生物的生物多样性与文化

《Frontiers in Microbiology》：Biodiversity and culture of prokaryotes inhabiting haloalkaline and meromictic Soap Lake, Washington, USA

极端环境下微生物多样性与功能研究——以美国 Soap Lake 为例，通过培养和16S rRNA测序发现水体中存在耐高盐、高碱菌株（如 Roseinatronobacter sp. 12SL-E129 和 Vibrio sp. SL14），揭示不同水层（3m 混合层与23m 无氧层）菌群结构差异显著，深层以硫酸盐还原菌和嗜热菌为主，浅层以变形菌和放线菌为主，证实极端环境的高生产力与微生物多样性并存。

　　皂湖，位于美国华盛顿州东部中央地区，是一个具有独特生态环境的湖泊，以其高碱性和显著的盐度梯度而闻名。作为少数几个具有封闭盆地且无出水口的碱性、盐度较高的湖泊之一，皂湖的水体化学性质表现出显著的分层现象，这种特征使其成为研究极端环境微生物的理想场所。皂湖的水体在垂直方向上被划分为两个主要层：上层的混合层（mixolimnion）和下层的静水层（monimolimnion）。混合层的水温相对较高（11–21°C），富含氧气，盐度较低，而静水层则呈现出低温（6–10°C）、无氧、高盐度（高达140克/升）和极高浓度的溶解性硫化物（据报道可超过150毫摩尔/升）的特点。这种独特的化学环境为研究微生物如何在极端条件下生存提供了丰富的线索，同时也为探索具有潜在工业价值的微生物提供了可能。

皂湖的碱性主要源于高浓度的碳酸盐和硫酸盐，而后者则促进了高生物硫酸盐还原速率，进而导致了静水层中异常高的硫化物浓度。尽管皂湖的pH值在整个水体中保持稳定，接近10，但其水体的盐度却随着深度的增加而显著上升，从表层的14克/升逐渐增加到静水层的140克/升。这种显著的盐度梯度和高碱性环境使得皂湖成为研究极端环境微生物的理想地点。然而，尽管皂湖具有高生产力和独特的化学性质，其微生物学研究却相对有限。已有的一些研究主要集中在厌氧光合细菌和化能自养硫氧化细菌上，以及具有生物能源潜力或参与金属还原的菌株。

为了进一步探索皂湖微生物的多样性及其可能的工业应用价值，研究人员对皂湖的水体进行了采样，并采用培养基方法与非培养方法相结合的方式，分析了其混合层和静水层的微生物群落。培养基方法用于富集培养好氧异养菌，成功分离出超过100株菌株。这些菌株在形态、生理特性和系统发育分析中展现出显著的多样性。研究人员选择了其中两株菌株进行深入的表型和系统发育分析，分别是株12SL-E129，属于Roseinatronobacter属；以及株SL14，属于Vibrio属。这两株菌株在生长条件上表现出对高盐度和高pH环境的适应性，并且具有独特的生理特征，例如株SL14在低温下表现出显著的生长优势，其最佳生长温度为10°C，甚至在0°C下仍能缓慢生长，而在37°C时则表现出明显的应激反应。

在对皂湖水体进行的高通量16S rRNA基因测序分析中，研究人员发现混合层和静水层的微生物群落存在显著差异。混合层的微生物群落以Pseudomonadota和Actinomycetota为主，其中Alphaproteobacteria占主导地位，占总序列的82%。而在静水层，Bacillota和Bacteroidota成为主要的微生物类群，其中Bacillota占比接近50%，包括许多形成内生孢子的菌种。此外，静水层中还检测到大量硫酸盐还原菌（SRB），这些菌种主要属于Deltaproteobacteria，表明在静水层的厌氧条件下，硫循环可能在微生物代谢中扮演重要角色。相比之下，混合层中的SRB序列则几乎未被检测到，这可能是由于其对氧气的高度敏感性所致。

研究人员还对分离出的菌株进行了详细的生理学分析，以确定它们在不同环境条件下的生长特性。株12SL-E129和株SL14在高盐度和高pH环境下的生长能力均表现出对NaCl的绝对依赖性。然而，它们的盐度耐受范围存在差异，株SL14在9% NaCl的条件下仍能良好生长，而株12SL-E129则在7% NaCl的条件下生长受限。这种盐度耐受性的差异可能反映了它们在不同生态位中的适应性。此外，株12SL-E129的pH适应范围较广，能够在pH 8–11.5的环境中生长，而株SL14则在pH 10时达到最佳生长状态，并且能够在pH 6的条件下缓慢生长，这可能与它们在皂湖不同深度的分布有关。

通过对皂湖微生物群落的深入研究，研究人员发现该湖泊虽然处于极端环境，但仍然具备高度的生物生产力和丰富的微生物多样性。这种多样性不仅体现在不同深度的微生物群落组成上，还体现在菌株的生理特性差异上。例如，株12SL-E129表现出典型的需氧异养特性，而株SL14则展现出冷适应性，能够在低温下快速生长。这些发现为理解皂湖微生物群落的生态功能和潜在应用价值提供了重要依据。

皂湖的微生物研究具有重要的科学意义和实际应用价值。首先，皂湖的高盐度和高pH环境为研究极端环境微生物的生理适应性提供了天然实验室。通过比较不同深度微生物群落的组成和功能，研究人员可以更好地理解微生物如何在极端条件下生存和繁衍。其次，皂湖中分离出的菌株可能具有重要的工业应用潜力。例如，株12SL-E129和株SL14都表现出对高盐度环境的适应性，这使得它们在生物技术、工业微生物学和环境修复等领域具有广泛的应用前景。此外，株SL14的β-溶血活性表明其可能具有一定的病原性，这为研究其潜在的致病机制提供了新的方向。

综上所述，皂湖作为一个独特的极端环境，其微生物群落的多样性与功能研究不仅有助于拓展我们对极端微生物适应机制的理解，还可能为生物技术、工业应用和环境治理提供新的资源。随着分子生物学技术的发展，对皂湖微生物群落的进一步研究将有助于揭示更多具有特殊功能的微生物，并推动其在相关领域的应用。因此，继续深入研究皂湖的微生物群落，特别是通过培养和非培养方法相结合的策略，将为探索极端环境微生物的潜力提供更加全面的视角。