《Microbiological Research》：From community profiling to functional insights: bacterial populations in marine sediments from an Antarctic Specially Protected Area (Terra Nova Bay, Ross Sea, Antarctica)
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南极海洋生态系统的研究具有特殊意义，涵盖从发现不同生命域中此前未被描述的生物多样性，到监测自然与人为压力对全球生态系统影响的需求等多个方面。在此背景下，研究南极微生物群落为评估生物多样性及识别环境扰动的出现或持续提供了有价值的途径。这些扰动可能与多种因素相关，
南极海洋生态系统的研究具有特殊意义，涵盖从发现不同生命域中此前未被描述的生物多样性，到监测自然与人为压力对全球生态系统影响的需求等多个方面。在此背景下，研究南极微生物群落为评估生物多样性及识别环境扰动的出现或持续提供了有价值的途径。这些扰动可能与多种因素相关，包括动物分布以及污染和气候变化等人为压力，后者是影响环境完整性的主要驱动因素之一。南极细菌还因其对极端环境的适应及其在从医学到生物技术等领域的潜在应用而受到关注。尽管研究力度不断增加，南极细菌的多样性仍仅被部分表征。当前估计表明，很大一部分微生物物种尚未被描述，而详细的生物多样性调查迄今主要集中于有限数量的陆地环境（Pertierra et al., 2025）。在特拉诺瓦湾（南极罗斯海），细菌群落在多种环境基质中已被研究（图1），包括表层和深层海水、冰芯以及与海绵等海洋生物的关联（图1中区域A、C、D、E、F、H、I、M和N），以及海洋沉积物（区域B、G和L）（Lo Giudice and Fani, 2015, Savoca et al., 2019, Papale et al., 2020, Papale et al., 2024, Lo Giudice et al., 2024）。采用培养依赖型和培养非依赖型方法，这些研究在海水和冰芯中鉴定了若干主要细菌系统发育类群，包括Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Bacteroidetes的CF类群成员以及Actinobacteria（区域A、C、D、E、F、H、I、M和N）（Baldi et al., 2010, cited in Lo Giudice, 2015; Lo Giudice et al., 2013）。这些环境的代表性属包括Agrococcus、Alcaligenes、Arthrobacter、Cryobacterium、Colwellia、Gelidicola、Georgenia、Leifsonia、Marinobacter、Microbacterium、Methylophilus、Nesterenkonia、Phyllobacterium、Pseudoalteromonas、Pseudomonas、Psychrobacter、Psychromonas、Rhodococcus、Roseobacter和Shewanella。相比之下，栖居于沉积物中的细菌群落研究较少，现有数据仅限于区域G和L样品中鉴定的主要系统发育类群。这些类群与水体报道的类群在很大程度上重叠，其中Arthrobacter、Nesterenkonia、Pseudoalteromonas、Psychrobacter、Rhodococcus和Shewanella是最常报道的属。在第XXXIII次意大利南极考察期间，研究人员在特拉诺瓦湾采集了海洋沉积物以研究其相关微生物群落。如Semprucci et al.（2021）所述，采样点被选择用于比较生态上不同的沉积环境中的细菌群落，这些环境在靠近企鹅群落和研究站区域方面存在差异。尽管南极通常被视为相对原始的环境，但人为和自然过程均可能影响局部细菌群落的组成和结构（Rabbia et al., 2016）。与科学基地、后勤基础设施和旅游相关的人类活动可能促进局部污染并促进非本地或人类相关微生物的引入（Hernandez and González-Acu?a, 2016）。天然有机质输入也可能代表相关的生态驱动因素。特别是企鹅群落，如Adélie Cove的群落，可导致大量鸟粪和其他有机物质的积累（Ancora et al., 2002, Fabiano et al., 2000），可能改变营养可用性并影响附近海洋沉积物中的微生物群落（Fabiano et al., 2000）。除分类组成外，表征南极沉积物群落中潜在的功能角色和微生物相互作用可能为冷海洋环境中的生态组织提供进一步见解。研究人员假设三个特拉诺瓦湾站点的对比环境背景将与细菌群落结构和预测功能潜力的差异相关。因此，本研究的主要目的是调查与这些生态上不同的海洋沉积物相关的细菌群落在结构和分类组成上是否存在差异，以及这些差异是否反映在其预测的功能谱中。这些站点的理化特征先前已由Semprucci et al.（2021）描述，为解释微生物模式提供了环境背景。细菌群落通过16S rRNA基因扩增子测序和基于PICRUSt2的功能预测进行表征。独立但互补的目标是通过培养依赖型分离和系统发育鉴定来表征沉积物微生物群的可培养部分，并探索富集培养物和细菌分离株中的水解活性和推定群体感应信号的存在。
研究背景：南极海洋生态系统的微生物多样性研究具有重要意义，既涉及未描述生物多样性的发现，也涉及对自然和人为压力影响的监测。特拉诺瓦湾（罗斯海）的细菌群落已在多种环境基质中有所研究，但沉积物中的细菌群落研究相对较少。南极虽常被视为原始环境，但人为活动（科学基地、后勤设施、旅游）和自然过程（企鹅群落鸟粪积累）均可能影响局部细菌群落组成。此外，除分类组成外，表征功能角色和微生物相互作用可为冷海洋环境的生态组织提供见解。
存在问题：南极细菌多样性仅被部分表征，沉积物细菌群落研究不足；缺乏对生态上不同沉积环境中细菌群落结构与功能潜力差异的系统认识；对南极沉积物中可培养细菌的功能特性及群体感应等微生物相互作用了解有限。
研究开展与结论：研究人员假设三个生态上不同的站点其细菌群落结构和预测功能潜力存在差异。通过16S rRNA基因扩增子测序和PICRUSt2功能预测表征细菌群落，同时通过培养依赖型方法分离细菌并探索水解活性和推定群体感应信号。研究得出：南极沉积物微生物组显示显著的站点特异性群落结构；680个ASV（占5,423个ASV的12.5%）为共享核心微生物组；不同群落维持广泛保守的功能潜力；Psychrobacter分离株显示广泛的水解活性；推定群体感应活性仅在混合富集培养物中出现。
重要意义：本研究为南极海洋沉积物微生物群落提供了基线数据，支持未来环境评估；可培养嗜冷细菌及其功能特性为生物技术应用提供了资源；群体感应初步证据为冷海洋生态系统中微生物相互作用研究提供了基础。
关键技术方法：研究人员在特拉诺瓦湾ASPA No.161内三个站点（ASPA1、ASPA2、AC）于2017/2018年南极夏季采集20 m等深线海洋沉积物，每站点3个生物学重复共9个样品。采用16S rRNA基因V3-V4高变区扩增子测序（Illumina MiSeq）进行群落分析，DADA2流程获得ASV，SILVA v138.1数据库进行分类注释；使用microbiome包进行核心微生物组分析（检测阈值0.01%，流行阈值50%）；PICRUSt2 v2.5.3进行预测功能谱分析；采用培养依赖型方法在不同营养条件、盐度和温度下分离细菌，通过近全长16S rRNA基因测序（EzBioCloud和IQ-TREE v1.6.11）进行系统发育鉴定；通过TLC-覆盖生物传感器 assay（Agrobacterium tumefaciens NTL4）检测群体感应信号。
研究结果：
3.1 细菌群落组成与测序输出：通过16S rRNA基因扩增子测序评估三个采样点的细菌群落组成，测序深度和质量在各样品间相当，观测ASV数为1,196至1,693，AC样品丰富度最高。
3.2 Alpha多样性：AC样品在所有指标（Shannon、Simpson、Chao1）上均显示最高值，ASPA2样品显示最低值，ASPA1样品显示中间值，表明南极沉积物站点间微生物丰富度和均匀度存在差异。
3.3 细菌群落分类组成：在门水平，Bacteroidota和Proteobacteria为所有样品的优势门；ASPA2中Bacteroidota平均占39.2%，ASPA1占31.6%，AC占28.2%；Desulfobaterota在ASPA1中尤为丰富（18.6%）；AC中Cyanobacteria和Planctomycetes相对更丰富。在科水平，Flavobacteriaceae在ASPA2中最为丰富（33.7%）；Desulfobulbaceae在ASPA1中相对丰度最高（9.8%）。在属水平，Maribacter、Maritimimonas和Cocleimonas在所有样品中均有出现但ASPA2中丰度更高；Desulforhopalus和SEEP-SRB4主要见于ASPA1；Granulosicoccus、Flavobacterium和Algibacter在ASPA2中更多；Sulfitobacter和Ilumatobacter主要出现在AC。
3.4 Beta多样性与样品分布：基于Bray-Curtis相异性的PCoA显示三个站点沿前两轴清晰分离，共解释87.8%的总方差；PERMANOVA支持站点显著解释ASV水平群落组成变异（R2 = 0.876, p = 0.0025）；PERMDISP显示组内离散度无显著差异。
3.5 核心微生物组：5,423个ASV中仅680个（12.5%）符合核心微生物组标准；其中48.7%无法在属水平归类；核心微生物组主要由Bacteroidota、Proteobacteria和Desulfobacterota组成，Gammaproteobacteria占核心微生物组的21.2%，Alphaproteobacteria占10.7%，Desulfobacterota占11.3%。
3.6 细菌群落功能预测：PICRUSt2鉴定出3,976个KO基因家族；转移酶为最丰富的预测EC类（34.1%），其次为氧化还原酶（18.2%）和水解酶（16.6%）；EC类组成在站点间高度一致，无显著差异；但KO水平NMDS分析显示清晰的站点特异性聚类（PERMANOVA R2 = 0.74, p = 0.007）；铜外排转运蛋白copA和趋化基因mcp、cheW在站点间差异显著，均在ASPA1中相对丰度最高；铁获取相关功能显示更异质的模式。
3.7 培养依赖型细菌分离：纯化获得17株嗜冷菌株，大多数为Gram阴性球杆菌或球菌，氧化酶阳性；基于16S rRNA基因测序，大多数分离株归属于Psychrobacter属，AC-3和AC-4属于Acinetobacter属；所有分离株均属于Proteobacteria门Moraxellaceae科；大多数菌株油水解试验阳性，部分菌株产甘油三丁酸酯水解活性。
3.8 细菌分离株和富集培养物的群体感应：通过TLC-覆盖 assay 使用A. tumefaciens NTL4作为生物传感器，推定QS相关活性仅在富集培养物中检测到，而在单个细菌分离株提取物中未检测到；不同富集培养物显示不同迁移模式的生物传感器响应化合物；在MB培养基中，仅AC富集培养物在10 °C振荡条件下检测到活性（Rf ~ 0.5）；大多数R2A富集培养物显示可检测的生物传感器响应（Rf 0.4-0.5）；AC R2A培养物在10 °C振荡条件下显示最高Rf值（Rf ~ 0.9）。
讨论部分总结：研究人员讨论了南极沉积物微生物群落的空间变异性，AC显示最高alpha多样性，ASPA2（最靠近Mario Zucchelli站）显示较低多样性；Bacteroidota和Proteobacteria在所有样品中占主导，与南极沿海生态系统先前观察一致；Flavobacteriaceae在ASPA2中特别丰富，与该站点最高的总有机碳含量一致；Desulfobulbaceae主要与ASPA1沉积物相关；AC以Alphaproteobacteria、Cyanobacteria和Planctomycetes相对较高丰度为特征。核心微生物组分析显示仅小部分ASV在至少50%样品中一致检测到，共享核心主要由Bacteroidota和Proteobacteria组成。预测功能谱显示广泛酶类组成在站点间无显著差异，但精细KO基因家族谱差异显著，表明分类上不同的群落维持 broadly 相似的预测酶谱。金属获取相关功能显示站点相关模式，copA和Fe(III)-铁载体摄取系统组分在ASPA1中更丰富。三个独立观察汇聚于ASPA1：Desulfobulbaceae丰度更高、趋化基因富集、氢化酶和厌氧能量代谢相关KO簇独有出现，提示ASPA1可能具有更强的微尺度氧化还原异质性和更多局部厌氧微生态位。可培养嗜冷细菌主要为Psychrobacter属，水解活性广泛，具有生物技术潜力。群体感应相关活性仅在富集培养物中检测到，表明生物传感器响应化合物的产生可能依赖混合微生物 consortium 中的代谢相互作用。
研究结论翻译：本研究通过整合培养非依赖型和培养依赖型方法，调查了特拉诺瓦湾（南极罗斯海）生态上不同站点海洋沉积物中的细菌群落。基于扩增子的群落分析揭示了细菌群落组成的清晰站点特异性差异，尽管所测理化参数总体相似，表明局部环境异质性可能促进南极海洋沉积物微生物组的结构。从生态学角度，表征这些沉积物中的微生物群落为环境监测计划提供了相关基线，因为微生物能快速响应环境扰动并可作为生态变化的敏感指示物。在此方面，本研究可支持所调查区域的未来环境评估。然而，检测与气候驱动过程、营养输入或人为影响相关的时间变化需要在可比条件下进行重复采样和时间序列观测。培养依赖型方法允许分离多种嗜冷细菌，主要为Psychrobacter属。尽管培养不可避免地仅捕获环境微生物多样性的一部分，但获得有活力菌株为生理和生物技术表征提供了机会。水解活性试验揭示了分离株间的功能变异性，支持培养依赖型方法作为群落水平分析补充的价值。对群体感应生物传感器响应化合物的初步筛选提供了南极沉积物相关微生物群落中生物传感器响应性、潜在QS相关活性的初步证据。然而，需要进一步的化学表征以确定其身份和生物学来源。这些观察为冷海洋生态系统中微生物相互作用的未来研究提供了基础。总之，本研究讨论的扩增子群落分析、预测功能分析、培养和探索性功能筛选的整合为南极沉积物微生物组提供了互补视角。结果表明分类组成和微生物相互作用过程均可能促进特拉诺瓦湾冷适应沉积物群落的结构。此外，可培养嗜冷细菌和推定生物传感器响应活性被确定为未来研究的目标。
