铁质洞穴微生物动态研究：跨季节与洞穴分区的分类及功能多样性解析

这篇综述通过高通量测序（high-throughput sequencing）揭示了巴西铁质洞穴GEM-1423和GEM-1462中微生物群落的分类与功能多样性，发现铁可用性（Fe）是驱动微生物动态的关键因子。研究首次系统比较了光区（photic）、弱光区（dysphotic）和无光区（aphotic）在干湿季节的差异，核心菌属（如Bacillus、Acidothermus）通过产酸间接溶解铁，并参与碳氮循环（C/N cycling）。研究为极端环境微生物资源开发及生物技术应用（如抗菌化合物生产、金属抗性）提供了新视角。

　　

1 引言

地下洞穴作为低营养、高湿度的极端环境，蕴藏着高度特化的微生物群落。铁质洞穴（ferruginous caves）因其独特的铁氧化物基质（90% Fe）和酸性土壤（pH 4.0–7.0），成为研究微生物适应机制的天然实验室。巴西卡拉加斯地区（Carajás）的GEM-1423（碧玉岩/铁壳层）和GEM-1462（碧玉岩）洞穴，年均降雨量达2,400 mm，温度波动于34–38°C，为探究季节性（干/雨季）和光梯度（photic/dysphotic/aphotic）对微生物的影响提供了理想模型。

2 材料与方法

研究采用表层土壤（0–10 cm）样本，通过Illumina MiSeq平台对16S rRNA V3–V4区测序，经PIMBA流程和SILVA132数据库注释ASV（Amplicon Sequence Variants）。功能预测使用FAPROTAX工具，解析碳（cellulolysis）、氮（nitrification）、锰（manganese_oxidation）等代谢通路。环境因子（Fe、Cu、pH等）通过PCA和RDA分析，结合PERMANOVA评估群落差异。

3 结果

3.1 分类学组成

两洞穴共鉴定27门细菌，优势菌门为Proteobacteria和Firmicutes。GEM-1423的Shannon多样性更高（3.12±0.35），而GEM-1462在旱季表现出44.34%的Bacillus绝对优势。核心菌属Acidisphaera在无光区雨季占比达15.68%，可能通过有机酸分泌促进铁溶解。

3.2 环境驱动机制

PCA显示GEM-1423与铁浓度显著相关（RDA解释度43.82%），而GEM-1462的β多样性在旱季增加20%，表明物种替换（species replacement）更活跃。镁（Mg）和铜（Cu）是影响群落结构的关键元素（p<0.001）。

3.3 功能预测

旱季富集能量代谢（aerobic_chemoheterotrophy），雨季则以氮循环（ureolysis）为主。锰氧化功能在GEM-1423光区雨季占比5%，而GEM-1462的dysphotic区发现烃类降解（hydrocarbon_degradation）潜力。

4 讨论

4.1 生态适应性

铁作为电子受体（electron acceptor）塑造了微生物的代谢网络，如Acidothermus通过分解纤维素（cellulose）适应寡营养环境。无光区菌群的硝酸盐呼吸（nitrate_respiration）暗示其对缺氧环境的进化响应。

4.2 生物技术潜力

Pseudomonas的烃降解能力和Rhodanobacter的金属抗性基因（如抗铀U(VI)还原）具环境修复价值。Acidisphaera的耐酸特性（pH 2.5–4.0）可为酸性废水处理提供菌种资源。

5 结论

铁质洞穴微生物的多样性与功能受铁可用性和季节变化双重调控，其独特的代谢途径（如锰氧化、尿素降解）为极端环境微生物组研究和生物技术开发开辟了新方向。未来需结合培养组学（culturomics）验证预测功能，并探索次级代谢产物的药用潜力。