《Microbiological Research》：Antarctic hitchhikers: Human activities mediate microbial transfer across the McMurdo Dry Valleys
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南极生态系统是地球上环境隔离程度最高的陆地生态系统之一，然而日益增加的人类活动引发了对不同地点间无意微生物转移的担忧。本研究通过比较当地土壤细菌与人体擦拭表面微生物群落，调查了南极干谷地区人类介导的微生物再分布潜力。尽管大多数比较中的α多样性指标相对相似，但1
南极生态系统是地球上环境隔离程度最高的陆地生态系统之一，然而日益增加的人类活动引发了对不同地点间无意微生物转移的担忧。本研究通过比较当地土壤细菌与人体擦拭表面微生物群落，调查了南极干谷地区人类介导的微生物再分布潜力。尽管大多数比较中的α多样性指标相对相似，但11个采样地点和3个采样日之间的微生物群落存在显著差异，并且与访问顺序相关。微生物群落在不同样本类型间也存在显著差异，在操作表面检测到的相当比例的扩增子序列变异（ASVs）（擦拭鞋底样本中为73%）此前已在由操作移动连接的上游位置被观察到。消毒和清洁改变了微生物群落组成，但并未完全消除野外设备与其部署地本地土壤之间共有的ASVs。β多样性分解表明，在消毒流程的不同阶段，确实经受住消毒方案的ASVs在不同设备之间主要是不同的（即组成更替而非嵌套）。总体而言，研究人员的发现表明，操作活动可能助长南极环境中微生物的再分布，并强调了在南极野外作业中加强微生物生物安全监测和消毒方案的重要性。阐明微生物转移后潜在生态影响将是重要的下一步工作。
研究背景与科学问题
南极陆地生态系统是地球上最为极端和隔离的荒野环境，以持续低温、极度干燥和资源匮乏为特征。作为南极最大的无冰区，麦克默多干谷（McMurdo Dry Valleys）集中体现了这些条件，其生态系统主要由微生物生命主导。在此环境下，微生物群落组成受到土壤地球化学、盐度、温度和水分可用性等非生物驱动因素的强烈影响，呈现出显著的空间异质性，不同山谷和盆地拥有各自独特的微生物组合，即便地理位置相近也是如此。这种空间结构反映了极端干旱、低生物量、稀缺液态水和严酷土壤地球化学所施加的有限微生物连通性，它们共同限制了微生物的运输、定殖和扩散后的存活。
然而，日益增加的南极人类活动——包括科研人员和后勤人员在不同地理上分离且生物学上分化的无冰区之间的频繁移动——引入了超越传统扩散限制模型的潜在微生物运输途径。目前的南极生物安全工作历来侧重于防止外来生物从南极大陆以外的引入，而南极大陆内部微生物转移的可能性则相对未被充分探索。如果此类转移发生，它可能成为连接微生物群落的重要来源，有可能侵蚀局部隔离模式，并混淆对微生物生物地理学和扩散限制强度的解释。
因此，本研究旨在利用基于DNA的方法，表征麦克默多干谷多个地点的微生物群落，并评估潜在的人为相关微生物转移途径，包括土壤、鞋底、野外设备和直升机表面。具体测试以下假设：（1）微生物群落受地点结构调控；（2）操作载体携带本地土壤中罕见或不存在的分类单元；（3）站点间的共享分类单元反映野外操作的顺序；（4）消毒程序能减少设备上环境来源微生物的存在。
研究方法与技术路线
研究人员采用16S rRNA基因测序技术对环境样本进行宏条形码分析。样本采集于2024-2025年南半球夏季，涵盖斯科特基地站（Scott Base Station）和十个无冰野外地点。样本类型包括土壤、人员鞋底拭子、直升机滑橇拭子以及野外设备（帐篷和食物箱）拭子。为评估消毒效果，设备样本在部署前、返回后和清洁后三个阶段分别采集。DNA提取使用专用试剂盒，PCR扩增靶向细菌和古菌16S rRNA基因的V4-V5高变区，并在Illumina MiSeq平台进行双端测序。数据处理采用DADA2流程进行质控、去噪和嵌合体去除，并通过Silva数据库进行物种注释。研究设计了“微生物转移数据集”和“消毒数据集”两个分析子集，分别用于评估跨山谷转移潜力和清洁程序有效性。核心分析方法包括基于Bray-Curtis相异性的非度量多维尺度分析（NMDS）、置换多元方差分析（PERMANOVA）、距离冗余分析（dbRDA）以及方差层次划分。此外，还开发了基于路径的携带分析，量化沿实际访问顺序的微生物传递比例。
研究结果
3.1 微生物转移潜力
通过对微生物转移数据集中前十种最常见的拭子相关分类群进行分析，研究发现多个地点普遍存在与人体皮肤微生物组相关的属，包括痤疮丙酸杆菌（Cutibacterium acnes）。其他常见属如节杆菌属（Arthrobacter）、诺卡氏菌属（Nocardioides）、代尔夫特菌属（Delftia）、黄杆菌属（Flavobacterium）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和寡养单胞菌属（Stenotrophomonas）也在多个拭子样本和地点中被检测到。值得注意的是，一些在相应土壤样本中未检测到的分类群，如Cutibacterium acnes和Rhodococcus fascians，却在多个地点反复出现。
α多样性分析显示，观察到的ASV丰富度和香农多样性在各采样地点间无显著差异，在各采样日间也基本稳定。然而，不同微生物样本类型（土壤、鞋底和直升机样本）之间存在显著差异，土壤样本的丰富度和多样性均显著高于鞋底和直升机样本。
β多样性分析揭示了所有考察的分类变量均存在显著的群落组成差异。NMDS排序显示，采样地点、采样日、旅行顺序和样本类型均与显著的群落变化相关。由于PERMANOVA和PERMDISP检验对某些变量均为显著，研究人员进一步进行了dbRDA和方差层次划分。结果显示，四个解释变量均保留了显著效应，其中地点解释了最大的独特变异组分，其次是样本类型、采样日和旅行顺序。
路径相关微生物携带分析表明，在所有路线上，中位携带值范围约为0.6至0.9，这意味着在操作表面上检测到的相当比例的ASVs先前在同一野外路线内的上游位置已被观察到。相对于鞋底样本，直升机样本表现出显著更高的携带值，而土壤样本则显著更低。典型的第一天鞋底样本估计携带值为0.73，表明约73%的操作鞋底检测到的ASVs先前在上游位置已被观察到。
消毒分析
消毒效果评估通过比较设备样本在部署前（BD）、部署后（AD）和清洁后（PDC）三个阶段的ASV丰富度、组成重叠和β多样性来进行。观察到的ASV丰富度在设备部署到野外后通常增加，但帐篷样本的时间变异大于箱子样本。清洁后，部分帐篷的丰富度有所回升，但未能一致恢复到部署前的水平。
NMDS排序识别出不同消毒阶段之间的组成差异，PERMANOVA分析证实土壤、箱子和帐篷样本组之间存在显著的微生物群落组成差异。部署前样本在排序空间中分布广泛，与部署后和清洁后拭子群落重叠。土壤样本形成相对独立且分散较小的簇，而部署后样本在图中下部中心区域聚集更紧密。清洁后样本与部署后群落部分重叠，表明清洁仅引起微小的组成变化。
ASV重叠模式在不同消毒阶段之间存在显著差异。最大的ASV集合是各样本组独有的，而多个样本类型之间共享的ASV相对较少。配对ASV周转分析显示，在所有部署和清洁比较中，ASV损失和获得远多于共享，这与部署和清洁相关的广泛分类学更替模式一致。β多样性划分进一步证实，更替是组成相异性的主要贡献者，而嵌套性贡献极小。
研究人员最后检查了土壤与设备群落之间的重叠，以进一步评估它们在人为介导微生物转移中的潜在作用。部署前，箱子和帐篷拭子包含主要来自相应本地土壤样本的独特ASVs。尽管如此，所有地点都检测到了土壤与设备之间的共享ASVs，范围从32到106个。部署后，共享程度在不同地点间继续变化。清洁后，只有帐篷拭子被采样，帐篷相关总丰富度增加到248个ASVs，而与土壤样本共享的ASVs数量下降。
讨论与结论
本研究表明，人为操作活动可促成南极干谷环境间的微生物转移。空间变异是微生物群落组成的主要驱动因素，这与干谷土壤已建立的地理结构一致。在此基础上，多条证据表明人类操作过程促成了地点间的微生物再分布：操作表面上检测到的ASVs中高达73%此前在同一路线内的上游位置已被观察到；人类相关分类群的反复检出；以及路径携带分析显示的显著携带效应。
消毒程序似乎能减少但无法完全消除人为介导的微生物转移。清洁后样本与本地土壤群落的重叠减少，表明部分土壤相关分类群在清洁过程中被移除，但同时非本地或先前引入的微生物可能在设备表面持续存在或重新分布。β多样性分解中更替而非嵌套的主导地位表明，部署和清洁过程主要与分类学替换相关，而非原始微生物群落子集的丧失。
研究结论强调，将微生物监测纳入南极操作生物安全框架至关重要。鞋底、共享设备和直升机接触表面是关键潜在转移载体，应继续作为南极生物安全协议的核心。针对这些途径的强化消毒程序，特别是在野外部署之前，可能进一步减少山谷间的微生物转移。未来工作应探索人为介导微生物转移的潜在生态影响，尤其是在气候变化开始放松目前阻止干谷中微生物自主扩散的屏障之时。
