Tagoro浅海热液系统（西班牙加那利群岛）中原核生物的新颖性与代谢多样性

《Environmental Microbiology》：Prokaryotic Novelty and Metabolic Diversity in the Tagoro Shallow Hydrothermal System (Canary Islands, Spain)

　　

摘要专业翻译 西班牙加那利群岛Tagoro海底火山浅海热液系统自2012年3月以来持续排放低温、富含营养盐、酸性且富含CO2和H2S的流体。尽管这些热液流体对局部微生物群落产生影响，但其对空间梯度上群落结构和多样性的作用仍知之甚少。研究人员利用16S rRNA基因测序技术，观察到从上层海水（epipelagic waters）到受热液活动影响的底栖生境中，原核生物群落结构存在显著差异。原核生物丰富度与多样性随接近热液源而降低，但在所有受热液影响的生境中，新颖类群（novel taxa）普遍存在。古菌多样性较低，以氨氧化型Nitrosopumilaceae为主；而细菌群落更为多样，包括铁氧化型Mariprofundaceae、甲烷氧化型Methylomonadaceae以及代谢功能多样的Rhodobacteraceae。分子分析揭示了这些科内微生物的专一化现象，与扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）观察到的烟囱体碎屑中与Mariprofundaceae成员相关的活跃细菌生物矿化（biomineralization）现象相互印证。综合来看，这些发现为Tagoro热液系统中微生物群落的生态学与功能潜力提供了新见解，提示其参与了氮、铁、硫和甲烷循环。该研究加深了对浅海热液场微生物分布格局的理解，并强调了具有潜在生物技术价值的新颖类群的高流行率。

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一、研究背景与意义

海洋浅水热液系统（shallow-water hydrothermal systems，水深＜200 mbsl）是地热活动与周围海洋生态系统相互作用的动态环境。光能与地热还原性化合物同时存在，使这些系统成为光合作用与化能合成作用同时发生的高能量环境，有助于提高表层初级生产力。这些独特环境孕育了适应极端条件的多样化微生物群落，并通过促进有机物质的积累与转化来维持食物网。此外，微生物常形成微生物席（microbial mats）和生物膜等新栖息地，并与拓殖这些新形成生态系统的生物建立潜在共生关系。

尽管浅水热液喷口已在多种地质背景下被记录，但其受关注程度远低于深海（＞1000 mbsl）对应系统。2011年发生在西班牙加那利群岛El Hierro海岸外1.8 km处的海底火山喷发，为研究水下火山作用及其后续浅水热液活动提供了难得机会。该喷发持续5个月，形成了Tagoro水下火山。2012年3月起，该系统进入弥漫性脱气阶段，受影响区域集中于主火山口0.5 km范围内，水深约127 mbsl（主火山口）至88 mbsl（山顶），形成了覆盖7600 m2、以铁（Fe）氧化物沉积为特征的浅水热液系统，其特征是数千个排放低温（21°C–33.3°C）、低pH流体以及CO₂和还原性物种的喷口。

Tagoro的弥漫性热液排放显著改变了海水和海洋沉积物的物理化学性质，产生包括温度升高、盐度和密度降低、氧化还原电位（ORP）异常、pH降低以及Fe²⁺浓度正异常等持续异常。热液流体中溶解态Si(OH)₄、PO₄和NH₄⁺相对于背景海水显著富集，其中溶解态Si(OH)₄已被确定为Tagoro热液影响的保守示踪剂。这些地球化学条件可能影响局部生物地球化学，并提供影响微生物群落组成和功能的电子供体与营养盐。

尽管具有生态学意义和潜在生物技术价值，Tagoro喷发后阶段的微生物群落仍未得到充分表征。先前发现的Candidatus Thiolava veneris揭示了拓殖新形成栖息地的先锋微生物类群的存在，但其仍未获纯培养且完整基因序列未知。此外，在富铁沉积物和矿物沉积中已检测到参与Fe、S和CH₄循环的微生物，但可用的微生物学数据仍然稀缺。实验证据表明，Tagoro热液输入可增强表层海水初级生产力，主要由光合微生物介导，地热化合物也可能为水体中的化能合成群落提供能量。因此，有必要对该系统进行更全面的表征，以理解微生物在受浅水热液活动影响的底栖和上层海洋栖息地中的作用及其对局部生物地球化学循环的贡献。

二、研究内容与主要结论

本研究表征了Tagoro浅水热液场内受不同程度热液影响的多种生境（包括海水、微生物席、岩石、沉积物和烟囱体）中的上层海水和底栖原核生物群落。利用16S rRNA基因扩增子测序数据确定了细菌和古菌的群落结构与多样性，通过与背景海水比较识别了与Tagoro热液场特异性相关的微生物类群，并通过比较系统发育分析揭示了该区域原核微生物的分类多样性和潜在功能角色。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）分析检查了与推定铁氧化细菌形成的矿物结构一致的细菌生物矿化现象。

研究得出以下主要结论：原核生物丰富度（Chao1）和多样性（Inverse Simpson）随接近热液喷口而显著下降，微生物席具有最高丰富度估计但多样性低于海水样品，烟囱体样品总体值最低。海水样品与底栖生境样品在群落结构上明显分离，热液富集海水与参考海水共享相似优势类群但群落结构存在差异。微生物席以铁氧化型Zetaproteobacteria（专一由Mariprofundus属代表）为主，同时含有丰富的与有机质利用相关的Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria和Bacteroidia。沉积物以严格厌氧硫酸盐还原菌Thermodesulfovibrionia和Desulfobulbia为特征，烟囱体则以Thermoanaerobaculia和甲烷氧化型Methylococcales占优势。系统发育分析显示Mariprofundaceae、Methylomonadaceae和Nitrosopumilaceae等优势科内存在微生物专一化现象。约66%的序列在属水平上无法分类，约48%的生境指示ASV未被归属到已知属，表明Tagoro热液系统蕴藏着大量未被探索的微生物新颖多样性。SEM分析在烟囱体碎屑中观察到与Mariprofundaceae成员相关的扭曲柄状结构和球状沉淀物，证实了活跃的细菌铁生物矿化作用。

三、主要关键技术方法

研究人员分析了2017年4月至2022年2月期间6次海洋学航次中采集的37个离散生物样品，包括海水、微生物席、沉积物、岩石和烟囱体。海水样品通过CTD（温盐深仪）玫瑰花架配备Niskin采水瓶采集，底栖样品通过遥控潜水器（ROV；Liropus 2000，IEO-CSIC）配备抽吸系统、活塞驱动注射器采样器、拖网和机械臂采集。DNA提取采用OmniPrep Soil DNA试剂盒（微生物席、沉积物、火山岩和烟囱体）和酚-氯仿法（海水过滤样品）。16S rRNA基因V4区扩增使用引物515F/806R，在Illumina MiSeq平台进行双端测序（2×300）。序列处理采用DADA2 v1.28流程生成ASV表，经稀有化处理后使用Silva SSU 138.1数据库进行分类注释，未分类序列通过BLAST比对NCBI数据库进一步分析。多样性指标使用phyloseq计算，群落结构差异通过基于Bray–Curtis相异性的层次聚类评估，指示物种分析采用IndVal指数，系统发育树构建使用DECIPHER比对和phangorn最大似然法。烟囱体薄片通过偏光光学显微镜和配备EDX能谱仪的SEM进行岩相学与显微分析。

四、研究结果

3.1 原核生物Alpha多样性

Chao1丰富度和Inverse Simpson多样性在不同生境间存在显著差异（Welch ANOVA，p＜0.001），表明随接近热液喷口排放，估计丰富度和多样性显著下降。微生物席表现出最高丰富度估计但多样性低于海水样品。热液富集海水比参考海水表现出更高的丰富度和多样性。岩石样品丰富度低于参考海水，多样性低于微生物席。沉积物进一步下降，烟囱体总体值最低。微生物席与烟囱体之间的差异尤为显著（Games–Howell事后检验，p≤0.01）。

3.2 原核生物群落结构

基于Bray–Curtis相异性的层次聚类显示不同生境间存在明显的原核生物群落差异。海水样品与底栖生境样品（微生物席、岩石、沉积物和烟囱体）分离，表明海水中存在独特的原核生物群落。Nitrososphaeria古菌纲（完全由Nitrosopumilaceae科组成）在海水中特别丰富，占参考海水和热液富集海水中位相对丰度的13%和6%。

3.2.1 上层海水

参考海水和热液富集海水共享相似的优势分类群，但群落结构存在差异。Gammaproteobacteria在富集海水中更丰富（37%对比15%），而Alphaproteobacteria在参考海水中更普遍（31%对比22%）。Pseudomonadales仍是海水中主要的Gammaproteobacteria目。指示物种分析确定Rhodospirillaceae为参考海水的强指示类群（stat≥0.92，p≤0.001），而富集海水与多个低丰度科相关（stat≥0.82，p≤0.001）。

3.2.2 火山岩

岩石样品在原核生物组成上表现出高度变异性，无ASV被确定为岩石生境的指示类群。两个岩石样品（S43和S50）形成独立聚类，以Alphaproteobacteria高丰度为特征，包括Rhizobiales（约12%–22%）、Parvibaculales（约5%–9.5%）和Rhodobacterales（约4%–6.5%）。另一个岩石样品（S42）与沉积物和烟囱体样品更相似，以Enterobacterales高丰度（高达70%）为特征。其余岩石样品与微生物席聚类，表现出显著的Zetaproteobacteria（30%），在数据集中完全由Mariprofundus属代表。

3.2.3 微生物席

微生物席拥有最多的指示ASV，涵盖15个门、22个纲和32个目。14个Mariprofundus ASV是微生物席的显著指示类群（stat≥0.84，p≤0.001）。15个Alphaproteobacteria ASV被确定为指示类群，其中10个属于Rhodobacteraceae科，以Roseobacter clade NAC11-7谱系最为普遍。18个Gammaproteobacteria ASV与微生物席相关，Enterobacterales（主要由Colwelliaceae科代表）和Pseudomonadales（由Halieaceae科代表）最为一致。此外还有8个Bacteroidia ASV和10个Bdellovibrionia ASV被确定为指示类群。

3.2.4 沉积物和烟囱体碎屑

沉积物和烟囱体样品在原核生物群落组成上具有相似性，与其他底栖样品显著区分。两者均以Gammaproteobacteria（28%–51%）、Thermoanaerobaculia（2%–13%）、Thermodesulfovibrionia（2%–18%）、Alphaproteobacteria（7.5%–10%）、Calditrichia（3%–4%）、Anaerolineae（3%–4%）和Desulfobulbia（＜2%）为特征。沉积物以Thermodesulfovibrionia纲为特征（18%），其中3个ASV是热液影响沉积物的显著指示类群（stat≥0.90，p≤0.001）。沉积物还包含Desulfobulbia（约2%），5个ASV为指示类群。烟囱体以Thermoanaerobaculia纲占优势（约13%），完全由Thermoanaerobaculaceae科代表。Methylococcales目在烟囱体（28%）中比沉积物（9%）中相对丰度更高。烟囱体还以Chromatiales目（4%）为特征，特别是Candidatus Thiobios属。

3.3 优势原核生物科的系统发育概述

四个原核生物科在Tagoro热液影响生境中占据最高相对丰度：Mariprofundaceae（16%）、Methylomonadaceae（5%）、Rhodobacteraceae（3%）和Nitrosopumilaceae（1%）。Mariprofundaceae包含66个Mariprofundus ASV，多数检测于低相对丰度（≤1%），最丰富的ASV与培养种Mariprofundus ferrooxydans、M. micogutta和M. aestuarium最密切相关。Methylomonadaceae包含29个ASV，IheB2-23属ASV形成独特系统发育簇且最常与烟囱体样品相关，Marine Methylotrophic Group 2 ASV与微生物席特别相关（中位和最大相对丰度分别达约23%和73%）。Nitrosopumilaceae包含147个ASV，系统发育分析揭示两个广泛簇：一个主要包括与Candidatus Nitrosopumilus和Cenarchaeum相关的底栖关联ASV，另一个包括在海水中占优势的Candidatus Nitrosopelagicus和未分类Nitrosopumilaceae ASV。

3.4 未被探索的原核生物多样性

约66%的序列在属水平上未分类，37%在科水平、22%在目水平、10%在纲水平未分类。约48%的指示ASV未被归属到已知属。BLAST分析显示99.9%的未分类序列与全球不同环境中未培养原核生物的序列匹配。约89%的序列与最接近GenBank相对序列的一致性≥94.5%（属水平），约11%在86.5%–94.5%之间（科水平）。针对NCBI 16S核糖体RNA序列数据库的搜索显示，所有未分类序列与正式描述的原核生物关系较远，最高一致性平均低于90%±4%，凸显了这些未分类序列的新颖性。Thermodesulfovibrionia纲是这种未被探索多样性的典型代表，19个ASV中仅1个被分类到Thermodesulfovibrio属。

3.5 烟囱体结构和形态

光学显微镜观察显示烟囱体薄片中频繁出现定向树枝状特征和Fe-rich带状堆叠穹顶状结构。SEM图像显示矿化表面具有复杂纹理，包括扭曲柄状结构和球状沉淀物。丝状结构常与矿物基质交织。EDX分析表明扭曲柄状结构主要由硅（Si）和铁（Fe）组成，与周围烟囱体基质相比具有较低的Si:Fe比（相对于Si的Fe含量更高），且锰（Mn）仅在丝状体中存在。

五、讨论与结论

讨论部分指出，Tagoro浅水热液场中微生物群落研究相对于地质和海洋学研究仍然有限。原核生物多样性的下降模式与全球热液弥漫流环境观察一致，可能由热液流体与周围海水混合产生的地球化学条件驱动，这些条件调节电子供体（如Fe²⁺或还原性硫物种）和电子受体（如O₂或NO₂^?）的可用性。系统发育分析表明，Tagoro环境中大多数细菌种群与正式描述的物种在遗传上相距较远，但与先前在其他热液环境中发现的序列密切相关，表明浅水热液系统可能蕴藏大量新颖微生物谱系。

热液富集海水表现出与未受影响水体不同的原核生物群落结构，Alpha-和Gammaproteobacteria占优势，其中SAR11 Clade I和II、Pseudomonadales以及氨氧化古菌Nitrososphaeria（特别是Candidatus Nitrosopelagicus）显著存在。低丰度类群如SEEP-SRB1（硫酸盐还原菌，与甲烷氧化相关）的检测提示了潜在的硫和甲烷循环过程。

微生物席以铁氧化型Zetaproteobacteria（Mariprofundus属）为主，表明溶解铁浓度可能是影响Tagoro原核生物群落结构的主要因素。同时，与有机质利用相关的Roseobacter clade NAC11-7、Thalassotalea和OM60/NOR5 clade的普遍存在，与热液输入促进浮游植物生物量从而增加有机质可利用性的实验证据一致。微生物席中还检测到与硫和氮循环相关的细菌类群，包括Desulfoconvexum和Sulfurospirillum。

沉积物和烟囱体中检测到多种与氨氧化相关的细菌类群，包括Nitrosococcales目以及潜在的厌氧氨氧化（anammox）细菌SM1A02（Phycisphaerales目），表明Tagoro存在多样的氨氧化过程。沉积物以严格厌氧硫酸盐还原菌为特征，而烟囱体则含有硫氧化细菌（Chromatiales目，特别是Candidatus Thiobios属）和甲烷氧化细菌（Methylococcales目）。硫酸盐还原菌与甲烷循环相关微生物的共存可能表明潜在的微生物互养关系。

结论部分指出，Tagoro浅水热液系统塑造了独特的表层海水和底栖原核生物群落。微生物多样性向喷口源方向降低，但新颖类群占主导地位，并可能参与该浅水热液系统中的铁、氮、硫和甲烷循环，该系统中存在大量未被探索的微生物多样性。本研究增进了对浅海热液场微生物分布格局的理解，并强调了具有潜在生物技术价值的新颖类群的高流行率。