含水层沉积物中嗜热微生物对13C标记生物质的厌氧矿化作用及其对高温含水层储热系统的环境意义

本研究针对高温含水层储热（HT-ATES）系统中热注入导致含水层微生物群落变化及溶解有机质（DOM）降解潜力不明的问题，通过模拟60℃、70℃和80℃厌氧条件，探究嗜热微生物对13C标记生物质的矿化能力。结果表明，60℃和70℃下部分嗜热菌（如Brockia、Caldinitratiruptor和Thermaerobacter）可有效降解生物质，而80℃下无显著矿化。研究揭示了HT-ATES运行中嗜热微生物的碳循环功能，为评估其生态影响提供了关键依据。

　　

随着全球能源消费中供暖需求的持续增长，高温含水层储热（High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage, HT-ATES）作为一种低碳能源技术，通过向浅层含水层注入和提取加热（≥60℃）或冷却的水来实现季节性能量储存，具有高储能容量和环保优势。然而，热注入会改变含水层微生物群落结构，可能影响地下水中溶解有机质（DOM）的降解过程，进而对地下水生态系统产生潜在影响。因此，理解含水层沉积物中嗜热微生物的结构、多样性及其生理功能——尤其是它们降解DOM的能力——对评估HT-ATES系统的环境风险至关重要。

目前，对这类嗜热微生物（特别是内生孢子形成菌）在含水层沉积物中的丰度、生理特性及代谢能力的认识仍非常有限。高温虽可能加速微生物代谢，但微生物活性与温度的关系并非线性，不同温度适应性的类群（如嗜冷菌、嗜温菌、嗜热菌和超嗜热菌）具有较窄的温度范围。在HT-ATES运行中，急剧升温可能导致环境选择压力，抑制嗜温类群，同时激活以休眠孢子形式存在的嗜热微生物（如Bacillota门细菌）。这些孢子具有极强的抗逆性和长期存活能力，可通过环境介质（如地下水流）广泛传播，并在适宜温度下萌发并参与有机质降解。

为解决上述问题，Shuting Li和Carsten Vogt团队在《Environmental Technology》上发表研究，通过微宇宙实验结合稳定同位素标记和分子生物学技术，探究了原始含水层沉积物中厌氧嗜热微生物在60℃、70℃和80℃下降解¹³C标记生物质的能力及其群落响应。

研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   从德国Wittstock/Dosse TestUM场点的浅层含水层采集沉积物和地下水样本；
2. 2.
   通过好氧培养制备¹³C标记的微生物生物质（以¹³C-乙酸钠为碳源）；
3. 3.
   建立厌氧微宇宙系统，在60℃、70℃和80℃下培养，并添加标记/未标记生物质；
4. 4.
   利用气相色谱-同位素比值质谱（GC-IRMS）持续监测δ¹³CO₂产生情况，以评估生物质矿化；
5. 5.
   提取微生物DNA，通过16S rRNA基因测序（V3–V4区）分析群落结构，使用QIIME2和SILVA数据库进行生物信息学处理；
6. 6.
   应用多样性指数、主成分分析（PCA）、k-means聚类和中性群落模型（NCM）进行统计和生态学分析。

3.1. Mineralization of ¹³C-labeled biomass under different temperature conditions

通过δ¹³CO₂监测发现，在60℃下有两个重复（60-03和60-04）、70℃下有一个重复（70-04）出现了显著的¹³C标记CO₂产生，表明生物质被厌氧矿化；而在80℃下，72天内未检测到矿化活动。灭菌对照组和未标记对照组均无显著δ¹³CO₂变化，证实矿化源于微生物代谢。

3.2. Microbial diversity and community composition at different temperatures

α多样性分析显示，60℃培养的微生物群落香农指数和Chao1指数显著高于70℃、80℃及原始沉积物样本，表明60℃更利于嗜热微生物多样性的发展。主成分分析（PCA）和k-means聚类将样本分为3个簇：Cluster 1包含所有活性矿化样本（60-03、60-04、70-04）及部分80℃样本，Cluster 2以70℃非活性样本为主，Cluster 3则主要为原始沉积物和80℃样本。PERMANOVA分析证实温度处理间群落结构存在显著差异。

在门水平上，原始沉积物以Proteobacteria和Bacillota为主导。在活性矿化样本中，60℃和70℃下分别富集了与Brockia、Caldinitratiruptor和Thermaerobacter相关的嗜热菌属。这些菌株已知具有硫还原、硝酸盐还原或发酵代谢能力，可能在生物质降解中起关键作用。热图分析显示，嗜热菌在原始沉积物中丰度极低，而在高温培养后显著增加，尤其在活性样本中占主导。

4. Discussion

本研究证实了含水层沉积物中的嗜热微生物在60℃和70℃下能够利用地下水来源的生物质作为碳源进行厌氧矿化，而在80℃下则可能由于酶失活、碳源不足或超嗜热菌代谢限制导致无活性。矿化途径可能涉及发酵、硫酸盐还原或铁还原，但中间产物未测量，需进一步研究。

微生物群落对温度的响应显著：60℃下多样性最高，且出现了功能冗余现象（不同嗜热菌执行相似代谢功能）；70℃和80℃下则呈现更强的环境选择压力。中性群落模型表明，原始沉积物和80℃样本的群落组装以随机过程为主，而60℃和70℃下则受确定性过程（如温度）驱动，这解释了重复样本间群落结构的差异性和低重复性。

5. Conclusion

本研究结果表明，在HT-ATES模拟条件下，部分嗜热微生物（如Brockia、Caldinitratiruptor和Thermaerobacter）能够降解微生物生物质，并可能在高达70℃的含水层环境中参与碳循环。80℃下未观察到矿化，暗示超嗜热条件可能抑制代谢活性。这些发现强调了HT-ATES运行中热驱动微生物群落变化的重要性，为评估其生态影响提供了实验依据。未来研究需结合流动系统实验和宏基因组学技术，进一步揭示降解途径及其在真实环境中的动态过程。