潮间带微生物岩中盐度与pH调控微生物群落演替及氮利用驱动的碳酸盐沉淀机制研究

本研究针对现代微生物岩形成机制中光合微生物作用被过度关注而忽略非光合途径的问题，以台湾恒春潮间带微生物岩为研究对象，通过多组学技术揭示了盐度和pH对微生物群落结构及氮循环途径（如尿素水解和氨化作用）的调控机制，阐明了异养微生物驱动的碳酸盐沉淀（MICP）新机制，为解读地质历史中的微生物化石记录提供了新视角。

　　

论文解读

在地球生命演化的漫长历史中，微生物岩（microbialites）作为最古老的生物沉积记录，已持续存在超过34亿年。这些由微生物活动诱导形成的碳酸盐结构，如同地质时间的胶囊，封存着远古环境与生命的互动密码。然而，现代微生物岩的分布日益局限，仅在竞争者稀少的特殊环境中幸存，例如淡水湖泊、热泉或潮间带。尤其引人注目的是潮间带微生物岩——它们处于淡水与海水的动态交汇处，盐度和pH的波动塑造了独特的微生物生态系统。但长期以来，研究者们过度聚焦于光合微生物（如蓝藻）对碳酸盐沉淀（MICP）的贡献，而忽视了异养微生物通过氮循环（如尿素水解和氨化作用）等非光合途径的潜在作用。这一认知缺口，使得我们对地质记录中微生物岩环境指示意义的解读可能存在偏差。

为填补这一空白，由台湾大学领衔的研究团队选择台湾恒春丰濑沙潮间带的三个潮池（分别代表淡水、过渡和海水影响区），通过为期一年的动态采样，结合高通量测序和扫描电镜技术，系统解析了盐度与pH如何驱动微生物群落演替，进而影响MICP的机制。这项发表于《Microbial Ecology》的研究，不仅揭示了潮间带微生物岩形成的多途径协同机制，还为古环境重建提供了新的生物标志物框架。

关键技术方法
研究团队采集潮间带三个盐度梯度潮池的微生物岩样本，使用YSI Pro Plus便携式设备监测环境参数（盐度、pH、溶解氧等）。通过扫描电镜（SEM）观察微生物形态，采用16S和18S rRNA基因扩增子测序分析微生物群落组成，利用QIIME 2和PICRUSt2进行生物信息学与功能预测，结合随机森林模型和网络分析揭示关键微生物互作。

研究结果

微生物岩形态与环境梯度
扫描电镜显示，靠近海水的潮池30底部微生物岩结构简化，出现大量长杆状细胞（类似黏球菌Myxococcus），而淡水影响的潮池0则呈现复杂分层结构。环境参数分析证实，潮池30底部具有最高盐度（PSU）、总溶解固体（TDS）和pH（8.09-8.35），且溶解氧（DO）波动显著。这种形态分异暗示盐度梯度对微生物岩形成的决定性影响。

微生物群落对盐度与pH的响应
蓝藻（Cyanobacteria）作为优势类群，其组成随盐度剧烈变化：淡水潮池0以固氮异形胞蓝藻（如Nostocaceae）为主，而高盐潮池30则以非异形胞丝状蓝藻（如Oxyphotobacteria incertae sedis）占优。随机森林分析表明，Rhodobacteraceae（α-变形菌纲）和Chloroflexaceae（绿弯菌门）等高盐适应类群与pH呈显著正相关（p<0.01）。值得注意的是，pH对群落结构的解释力强于盐度，提示碱性环境可能通过调控氮代谢途径（如抑制固氮酶活性）间接塑造群落。

氮利用策略的生态转换
功能预测显示，高盐潮池30中尿素循环和嘌呤降解通路显著富集（p<0.05）。结合LEfSe分析，研究者发现高盐环境下微生物从依赖固氮（diazotrophy）转向尿素水解（ureolysis）和氨基酸氨化（ammonification）——后者通过释放NH₄⁺和OH^-提升局部碱度，促进碳酸钙沉淀。例如，高盐区富集的Cellulomonadaceae（放线菌门）可能通过脲酶分解尿素，而黏球菌科（Myxococcaceae）的长杆状细胞则可能通过氨基酸代谢参与MICP。

微生物互作网络的重构
共现网络分析揭示，蓝藻与异养微生物的互作模式随盐度转换：淡水潮池0中Nostocaceae与53个节点紧密关联，而高盐潮池30中Oxyphotobacteria incertae sedis成为网络枢纽（55个连接）。这种拓扑结构变化反映了从光合主导到异养-光合协同的生态功能转变。

结论与意义
本研究首次系统阐明了潮间带微生物岩中盐度-pH-微生物功能轴的级联效应：高盐环境通过抑制固氮作用，促使微生物转向尿素水解和氨化代谢，进而通过碱度提升驱动MICP。这一发现挑战了传统“光合中心论”，提出异养微生物（如Cellulomonadaceae和Myxococcaceae）与光合微生物的协同作用才是潮间带碳酸盐沉淀的核心引擎。

其科学价值体现在三方面：

1. 古环境重建：为解读地质记录中微生物岩的盐度指示意义提供新标准，例如非异形胞蓝藻优势或可指示高盐古环境；
2. 生态工程应用：尿素水解菌（如Rhodobacteraceae）可作为生物矿化强化剂，用于海岸带生态修复；
3. 生命演化研究：揭示了氮代谢可塑性在微生物适应动态环境中的关键作用，为早期地球生命适应极端环境提供新假说。

这项研究将微生物生态学与地质化学无缝衔接，为理解“微生物-矿物-环境”的共演化打开了新窗口。