探索温带和热带国家地下水细菌群落多样性：气候变化与人类影响的生物指标

《Microbial Ecology》：Exploring the Bacteriome Diversity and Use as a Proxy for Climate Change and Human Impacts on Groundwater in Temperate and Tropical Countries

为探究地下水受环境影响的指标，研究人员分析巴西和罗马尼亚洞穴水及底物细菌群落，发现诸多差异及关键细菌。

　　地下水，这一隐藏在地下的神秘资源，不仅是人类生活、农业灌溉和工业生产的重要保障，更是一个充满奥秘的生态系统。在黑暗的地下世界里，生活着各种各样独特的生物，它们在有限的能量和营养条件下顽强生存。然而，近年来，随着全球气候变化的加剧以及人类活动的日益频繁，地下水生态系统面临着前所未有的挑战。降雨模式的改变、土壤水分的变化以及地表水的减少，都对地下水的质量和数量产生了影响。与此同时，人类的农业活动、水资源开采、森林砍伐以及洞穴旅游等行为，也给地下水生态系统带来了潜在的威胁。

在这样的背景下，来自罗马尼亚科学院 Emil Racovita 洞穴学研究所、巴西拉夫拉斯联邦大学等机构的研究人员，开展了一项极具意义的研究。他们将研究目光聚焦在巴西和罗马尼亚的洞穴水池水和底物中的细菌群落，试图探索这些细菌群落能否作为环境变化的指示生物，研究成果发表在《Microbial Ecology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们从巴西和罗马尼亚的多个洞穴中采集水池水（38 个）和底物（19 个）样本，其中部分样本多次采集以研究季节性变化。样本采集后，使用 FastPrep - 24TM 破碎细胞，再利用商业试剂盒提取 DNA，并通过 SpectraMax QuickDrop 进行 DNA 定量。接着，运用细菌特异性引物对细菌和古菌的 SSU rRNA 基因的 V3 - V4 高变区进行 PCR 扩增，之后通过 16S rRNA 宏基因组测序来分析微生物群落组成。最后，借助多种生物信息学工具和统计分析方法，如 Cutadapt、DADA2、phyloseq 等，对测序数据进行处理和分析，以探究细菌群落的多样性、差异及与环境因素的关系。

研究结果显示：

• 池水中微生物群落多样性和丰度：在 38 个测序水样中，鉴定出 1031 个细菌 ASVs 和 12 个古菌 ASVs。罗马尼亚样本中，超过一半细菌属于变形菌门（Pseudomonadota），23% 属于拟杆菌门（Bacteroidota），10% 属于放线菌门（Actinobacteriota）；巴西样本中，优势菌门有所不同，如厚壁菌门（Firmicutes）取代了拟杆菌门成为三大优势菌门之一。此外，不同洞穴中优势菌属也存在差异，例如，黄杆菌属（Flavobacterium）和假单胞菌属（Pseudomonas）在罗马尼亚样本中随季节和样本变化占主导地位，而巴西样本中芽孢杆菌属（Bacillus）、水栖菌属（Aquicella）、沃氏菌属（Vogesella）和皮肤杆菌属（Cutibacterium）更为丰富。
• 池底底物微生物群落多样性和丰度：19 个底物样本中鉴定出 1029 个细菌 ASVs 和 21 个古菌 ASVs。两国样本中变形菌门均占主导，巴西样本中其次是放线菌门和厚壁菌门，罗马尼亚样本中则是 Patescibacteria 和酸杆菌门（Acidobacteriota）。在属水平上，罗马尼亚样本中假单胞菌属最丰富，巴西样本中芽孢杆菌属、不动杆菌属（Acinetobacter）和一个未分类属较为突出。
• 洲际和洲内多样性变化：通过 Venn 图分析发现，罗马尼亚水样中独特属最多，巴西水样最少。巴西和罗马尼亚水样中最丰富的常见分类群包括芽孢杆菌属、假单胞菌属、硝化螺旋菌属（Nitrospira）等。底物样本显示两国间有更多共同属，但多数在属水平未鉴定。
• 水与底物细菌群落差异：对比罗马尼亚同一站点和月份的 9 对水和底物样本，发现底物中鉴定出的门数量略高，优势门更多样。属水平差异更明显，底物中优势属均未分类，而水中优势属包括黄杆菌属、假单胞菌属等。
• 水池细菌群落的季节性变化：分析罗马尼亚四个洞穴不同季节样本发现，不同洞穴细菌群落变化模式不同。如在费里切（Ferice）洞穴，水样季节性差异显著，8 月极地单胞菌属（Polaromonas）增加；在克洛萨尼（Clo?ani）洞穴，部分冬季样本分离明显，且 8 月一些属丰度增加。底物样本在费里切洞穴季节性分离明显，克洛萨尼洞穴部分样本因某些属丰度差异而分离。

研究结论和讨论部分指出，尽管样本数量不均衡，但研究揭示了不同气候地区洞穴水池细菌群落的显著差异。在属水平上的差异对研究洞穴生态系统微生物多样性具有重要意义，尤其是对于巴西洞穴微生物多样性了解较少的情况。此外，研究发现洞穴细菌群落存在季节性变化，部分细菌可作为气候变化和人类影响的指示生物。例如，某些细菌在干旱期丰度增加，可能与气候干燥导致的洞穴水池变化有关；巴西洞穴水样中存在潜在污染指示菌和潜在去污菌，罗马尼亚水样中关键细菌对生态系统功能至关重要。同时，研究还发现水和底物细菌群落存在显著差异，底物微生物群落研究有待加强，这对于理解洞穴食物链和生态过程至关重要。总体而言，该研究强调了保护小型地下水水体及其底物的重要性，为地下水生态系统的保护和管理提供了重要依据，有助于制定更合理的水资源政策和保护策略，应对气候变化和人类活动对地下水生态系统的挑战。