加利福尼亚州索尔顿海微生物群落的奥秘：硫循环与生态健康的纽带

为探究索尔顿海微生物群落，研究人员分析样本，发现其硫循环特征及与生态的关系，意义重大。

　　《加利福尼亚州索尔顿海微生物群落的奥秘：硫循环与生态健康的纽带》

在加利福尼亚州的南部，有一个独特的存在 —— 索尔顿海（Salton Sea）。它是一个终端、高盐度的湖泊，其形成源于 1905 年灌溉运河的洪水，将科罗拉多河的水引入盆地。如今，它面临着诸多困境，由于淡水输入减少，加上农业径流带来大量氮、磷、硫以及农药等污染物，使得湖水富营养化且污染严重，面积也在迅速缩小。

索尔顿海的季节性分层和硫循环对其生态系统和周边居民的健康影响重大。在温暖的夏季，湖水会形成热分层，表层水（即表水层，epilimnion）和底层水（即深底水层，hypolimnion）被温跃层隔开，导致底层水缺氧，硫酸盐还原菌分解有机物，将硫酸盐（SO42??）还原为硫化氢（H2?S） ，H2?S在底层水积累。当夏季风较强时，会引发上升流，使H2?S从底层水进入表层水，快速的硫化物氧化会消耗溶解氧，还会导致石膏（CaSO4?）结晶形成和沉淀，也就是所谓的石膏华现象。索尔顿海的尘埃中含有高浓度的CaSO4?和MgSO4?，这些尘埃已被证明会诱发肺部炎症，与当地居民的呼吸窘迫有关。然而，此前对索尔顿海微生物群落的研究却相对匮乏，微生物在这些复杂过程中的作用也未得到充分探究。

为了深入了解索尔顿海微生物群落的奥秘，来自美国加利福尼亚大学河滨分校（University of California, Riverside）的研究人员 Linton Freund、Caroline Hung 等人开展了相关研究。该研究成果发表在《BMC Microbiology》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在采样方面，他们于 2021 年 8 月、12 月以及 2022 年 4 月，从索尔顿海南部盆地最深的部分，在 0 m、3 m、4 m、5 m、7 m、9 m、10 m 和 10.5 m 的深度采集水样，测量了温度、电导率、pH、浊度、溶解氧（DO）、溶解有机物（DOM）、盐度和氧化还原电位（ORP）等多种参数。在样本处理和分析上，利用 16S rRNA 测序来确定微生物组成，通过鸟枪法宏基因组测序评估部分样本的功能能力，重点关注硫循环代谢。同时，运用多种生物信息学方法和统计分析手段对数据进行处理和解读。

下面来看看具体的研究结果：

1. 季节性环境差异：研究期间，不同时间的环境条件差异显著。温度在 2021 年 8 月达到峰值，H2?S浓度在 8 月也较高，尤其在 7 m 及以下深度，而溶解氧（DO）和氧化还原电位（ORP）在 8 月处于最低水平。到了 12 月，温度和H2?S浓度降至最低，SO42??浓度和 DO 饱和度达到最高。2022 年 4 月，DOM 浓度达到最低，ORP 达到最高。
2. Alpha 多样性：Shannon - Wiener 多样性从 2021 年 8 月到 12 月有所增加，8 月的均值显著低于 12 月和 2022 年 4 月。温度和SO42??浓度是影响 Shannon - Wiener 多样性的重要环境变量。与之相反，物种丰富度在不同时间点虽略有下降，但差异并不显著，ORP 和SO42??浓度的相互作用对物种丰富度有显著影响。
3. 微生物组成和多样性：微生物组成在不同时间点差异显著，且这种差异主要受时间点影响，而非采样深度。Microbacteriaceae 和 Nitriliruptoraceae 两个微生物家族在不同深度和时间点均占主导地位。同时，温度、DOM 和 DO 饱和度是影响微生物组成的重要环境驱动因素。
4. 分类学注释的 MAGs：研究人员共组装了 1,907,889 个重叠群，并将其分类为 231 个宏基因组组装基因组（MAG） 。其中，19 个高质量的 MAG 被用于功能和分类学注释，这些 MAG 主要属于 Proteobacteria、Actinobacteriota 和 Bacteroidota 等门。
5. 功能注释的宏基因组：在功能注释方面，研究人员重点研究了硫循环基因、光营养和碳固定相关基因。硫循环基因的相对覆盖度在不同深度和时间点有所变化，硫氧化和不完全硫酸盐循环受季节影响。此外，不同碳固定途径和光营养相关基因在不同时间点和深度的覆盖度也有所不同。

研究结论和讨论部分指出，索尔顿海的微生物群落中存在多种适应高盐环境的盐生生物和耐盐细菌，如 DS001、Litoricola 等。这些微生物的相对丰度虽随季节波动，但它们凭借功能多样性和适应性在不同时间和深度占据主导地位。索尔顿海的季节性分层和硫可用性对微生物群落结构和硫循环代谢有显著影响。在夏季，硫氧化基因的相对覆盖度较高；而在冬季，参与异化硫酸盐还原 / 逆向异化硫酸盐还原（Dsr/rDSR）途径的基因相对覆盖度较高。这表明微生物在不同季节采用不同的代谢策略来适应环境变化。同时，研究还发现索尔顿海的微生物群落具有功能灵活性和冗余性，以 HIMB30 为代表的微生物能够利用多种代谢途径生存。此外，索尔顿海的湖水和尘埃之间存在联系，微生物可能在其中发挥着重要作用，但目前对索尔顿海尘埃的微生物组成及其与湖水微生物群落的关系仍知之甚少。

这项研究首次全面揭示了索尔顿海微生物群落的组成和功能多样性，为理解高盐生态系统中的微生物生态提供了重要依据。研究结果有助于深入了解索尔顿海的生态系统功能和稳定性，以及微生物在其中所起的作用。此外，该研究对于探索微生物与区域空气质量和公众健康之间的关系具有重要意义，为后续研究提供了方向，也为相关生态修复和治理工作提供了理论支持。