综述：洞穴微生物：全球温室气体循环与气候调节中的隐藏参与者

《Current Opinion in Microbiology》：Cave microorganisms: hidden players in global greenhouse gas cycling and climate regulation

本综述系统探讨了洞穴微生物作为温室气体（GHG）循环关键参与者的新兴角色，重点阐述了其通过甲烷（CH4）氧化、二氧化碳（CO2）固定、氮转化及碳酸钙生物矿化（MICP）等过程，在调节全球碳氮平衡及应对气候变化方面的巨大潜力，为开发基于地下生态系统的可持续生物技术（如碳封存）提供了新视角。

　　

引言

地下生态系统，尤其是洞穴，正日益被视为全球生物地球化学循环的动态组成部分。这些环境在季节和日尺度上与大气交换微量气体，如二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂>），在调节碳氮通量方面扮演着关键角色。喀斯特地下空间涉及多种非生物和生物过程来调控温室气体。可溶性岩石分布区（喀斯特区）约占地球陆地面积的15-20%，其包气带是全球第二大天然大气CO₂储存库，储量估计在2至53 PgC之间。同时，地下系统也是一个重要的CH₄汇，年消耗量估计高达106 Tg，是传统认为的陆地土壤汇（49 Tg/年）的两倍多。此外，喀斯特景观通过地表水-地下水交换过程中的氧化还原条件变化，也可能对N₂O循环有潜在贡献。洞穴蕴藏着丰富且特化的微生物群落，它们消耗和转化温室气体的能力使其在温室气体动态研究中备受关注。

洞穴生态系统的多样性及其在温室气体动态中的作用

洞穴可以是完全充气、充水或气水两相共存，这强烈影响了其与外部大气进行气体交换的能力。从温室气体动态角度看，最相关的系统是包气带（水位面以上）的洞穴，那里发生着地下与地表大气之间的强烈交换。洞穴通风受外部气候、洞穴形态及入口数量位置控制，温度差异是主要驱动因素。通风良好区域气体交换率高，而通风不良区域则积累CO₂，同时CH₄浓度因微生物氧化作用而低于大气水平。洞穴入口处的光照条件定义了不同的生态带：光区、过渡黄昏带和黑暗带。在条件稳定的深部洞穴区域，化能自养细菌作为主要生产者占主导地位。外部气候、植被和地表地貌控制着洞穴内部环境条件，从而决定了沿光、温、湿和气体成分梯度的独特洞穴生境。从全球看，表成喀斯特碳酸盐洞穴占主导（80-90%），由富含土壤CO₂的大气降水形成；较少见的是深成洞穴（>10%），由富含CO₂和/或H₂S的深部流体形成。两类洞穴都在CH₄调节中起关键作用。对于CO₂，洞穴主要充当大气碳的临时储库，部分CO₂可溶于地下水并转化为碳酸盐，形成稳定的碳汇。相比之下，洞穴在N₂O动态中的作用了解甚少，其角色可能从反映外部输入的保守示踪剂到局部微生物过程产生的热点。

微生物群落组成与温室气体

理解洞穴微生物组对温室气体动态贡献的一个关键挑战是识别关键微生物参与者并定量评估其作用。宏基因组和基因组分析为解决此挑战提供了有力工具。然而，目前公共数据库中可用的洞穴微生物基因组数量有限。基于对现有洞穴宏基因组/基因组的分析，发现与CH₄氧化、CO₂固定、N₂O产生和消耗、反硝化、硝化以及微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）相关的功能基因广泛存在于不同洞穴的微生物基因组（MAGs）中。

甲烷循环

最近的宏基因组研究表明，与甲烷氧化细菌（MOB）相比，洞穴中的产甲烷古菌相对丰度通常较低，表明甲烷氧化作用在这些环境中占主导地位。喀斯特和火山洞穴中典型的MOB主要由高亲和力的高地土壤簇γ（USCγ）和α（USCα）型甲烷氧化菌主导。基于同位素、分子生物学和微宇宙模拟实验的研究一致表明，洞穴中的CH₄氧化主要由MOB驱动，而非非生物过程。实时PCR定量显示，甲烷氧化菌在洞穴沉积物中可占总细菌群落的2-12%。原位实地测量显示，洞穴岩石上微生物生物膜的CH₄氧化速率与地表其他生态系统相当甚至更高，表明地下环境是有效的甲烷汇。

二氧化碳固定与碳酸盐沉淀

除了甲烷代谢，许多微生物基因组编码了核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）和Wood-Ljungdahl途径，支持化能自养作为维持地下初级生产的关键代谢策略。研究表明，洞穴微生物通过脲酶和碳酸酐酶活性以及胞外聚合物（EPS）的形成，为碳酸钙沉淀创造了有利的化学条件。与MICP相关的基因（如碳酸酐酶、脲酶）在多个微生物基因组中被检测到。将CO₂通量测量与微生物群落分析相结合的研究表明，洞穴壁上的放线菌富集生物膜可作为CO₂的生物汇。在月奶石沉积物和湿润岩石表面也检测到转化碳温室气体（CO₂和CH₄）的微生物活性，提出了洞穴细菌群落（尤其是月奶石中的群落）是CH₄消耗、CO₂封存和碳酸钙（CaCO₃）形成主要贡献者的生物地球化学模型。

一氧化二氮循环

与对CH₄和CO₂动态微生物作用的了解相比，洞穴微生物组在调节N₂O通量中的作用仍知之甚少。早期研究认为洞穴大气中的N₂O主要代表外部土壤来源信号，但越来越多的证据表明地下微生物过程也能贡献于N₂O动态，特别是在水文连通性高和氧化还原梯度明显的区域。宏基因组调查显示，与硝化、反硝化和异化硝酸盐还原相关的基因在洞穴微生物组中广泛存在。重要的是，许多洞穴微生物拥有不完全的反硝化途径，缺乏催化N₂O还原为氮气（N₂）的末端nosZ还原酶，因此这些类群可能成为净N₂O生产者。尽管存在这种潜力，洞穴微生物组对N₂O通量的定量贡献目前大多仍未量化。

结论与未来挑战

将同位素通量测量与宏基因组和基因组数据相结合表明，洞穴细菌群落——特别是MOB和CO₂固定谱系——在地下碳循环中扮演核心角色。它们代谢温室气体，同时促进碳酸盐矿物（如CaCO₃）的沉淀。由甲烷氧化和化能自养微生物形成的生物膜可以氧化CH₄并固定CO₂，通过生物矿化实现长期的稳定碳储存。这些过程将洞穴定位为具有气候变化减缓应用潜力的天然生物过滤器。当前知识仍受限于基因组数据集数量少和缺乏标准化通量测量。未来的挑战包括量化全球洞穴温室气体通量，并将实地数据与组学和同位素分析相结合。扩展洞穴基因组目录对于完善微生物贡献和开发基于生物矿化的低能耗长效碳捕获与封存策略至关重要。