《MicrobiologyOpen》：Microbial Diversity Across Chemolithotrophic and Phototrophic Biofilms in Cold Sulfur Springs
编辑推荐：
本文深入探究了阿拉巴马州布卢特泉低温硫泉系统中，硫的可用性与光照如何塑造了三种不同类型生物膜中的微生物群落。研究发现，富含硫的白色生物膜中，以硫氧化化学自养菌如 Sulfurovum和 Halothiobacillus为主；紫色光合生物膜则富集了厌氧光养硫氧化菌，如 Chromatium和 Chlorobium；而邻近淡水环境的棕色生物膜展示了更高的微生物多样性，包括高丰度的光合硅藻 Melosira。研究揭示了 Sulfurovum属在多个生态位点的丰度，表明其在硫代谢中的生态灵活性。这项工作凸显了硫化学和光照有效性在塑造微生物群落结构中的影响，增进了对低温硫泉生态系统中微生物适应性与硫循环的理解。
引言
硫富集环境支持着驱动关键生物地球化学过程，特别是硫循环的独特微生物群落。虽然热液喷口和火山系统中的硫氧化微生物群已被充分研究，但陆地低温硫泉中的微生物群落仍较少被了解。位于阿拉巴马州北部的布卢特泉是一个持续涌出富硫水的低温硫泉系统，其浸没的有机基质上形成了肉眼可辨的微生物垫。本研究通过比较同一泉系统中的化学自养、光养和淡水相关生物膜，旨在探讨硫可用性和光照对这种非热性硫泉环境中微生物多样性的影响。
材料与方法
样本采集自阿拉巴马州的布卢特泉。根据有机基质上的颜色特征，识别并采集了三种不同的群落：白色和紫色生物膜采自硫富集区源头下游，棕色生物膜样本则取自附近的无硫对照泉。使用无菌棉签从浸没的落叶层上刮取样本。利用16S rRNA基因测序技术分析了生物膜的微生物群落组成，并进行了生物信息学和统计分析，包括Alpha多样性（Shannon和Simpson指数）和Beta多样性（Bray–Curtis相异度）评估。
结果
环境参数与生物膜分布
在硫泉出水口处，水温为16.4°C，总溶解固体（TDS）和碱度较高，但源头未检测到硫化物或硫酸盐。在生物膜形成的下游区域，水温稳定，硫酸盐水平升高至20.3 mg/L，表明存在局部硫氧化作用。邻近的无硫淡水出水口则表现出更低的TDS和碱度。在整个泉系统中观察到三种不同的生物膜类型：存在于富硫水域的白色丝状垫和紫色垫，以及在附近淡水涌出点形成的棕色异质生物膜。生物膜类型似乎与微生境中的硫可用性和光照暴露有关。
生物膜类型的微生物群落组成
属水平相对丰度显示，三种生物膜类型具有不同的微生物群落。在白色生物膜中，Sulfurovum和 Halothiobacillus占恢复序列的很大比例，这与硫氧化代谢一致。紫色生物膜包含这些相同的硫氧化属，但也包含大量厌氧光养菌，如 Chromatium和 Chlorobium。相比之下，来自淡水点的棕色生物膜表现出更大的分类多样性，包括异养菌和铁还原菌属，以及硅藻 Melosira。
对数转换属水平丰度的热图进一步揭示了群落组成的差异。紫色垫中 Chromatium和 Chlorobium以及 Sulfurovum和 Halothiobacillus的丰度较高。白色生物膜也含有大量的 Sulfurovum和 Halothiobacillus，但光养类群较少。相比之下，棕色生物膜的特点是硅藻 Navicula和 Melosira的丰度较高，而硫相关属的代表性普遍较低。10-transformed relative abundance values. Purple biofilms showed elevated abundances of Chromatiumand Chlorobium, along with sulfur-associated genera, such as Sulfurovumand Halothiobacillus, while Brown biofilms were enriched in the diatoms Naviculaand Melosira.">
生物膜类型的Alpha多样性
Alpha多样性在三种生物膜类型间存在变化。棕色生物膜的Shannon多样性最高，紫色和白色样本的值较低。白色生物膜显示出最低的Shannon多样性和重复样本间最宽的变异性。Simpson指数也观察到类似模式，棕色和紫色生物膜比白色垫表现出更高的均匀度。尽管总体趋势表明富硫样本的多样性和均匀度降低，但在统计上差异并不显著。
Beta多样性揭示生物膜类型的群落结构差异
基于Bray–Curtis相异度的Beta多样性分析显示，三种生物膜类型的微生物群落存在差异。主坐标分析表明，棕色生物膜样本形成一个紧密的簇，与白色和紫色垫不同，后两者虽有部分重叠，但仍与淡水组保持分离。箱线图比较进一步说明了这些模式。组内相异性在棕色生物膜中最低，在紫色中中等，在白色生物膜样本中最高。最高的相异性出现在硫相关生物膜和无硫生物膜之间。置换多元方差分析证实，微生物群落组成因生物膜类型不同而存在显著差异。
讨论
这些低温硫泉中的微生物群落结构是由精细尺度的环境梯度塑造的，特别是硫的可用性和光照暴露。通过比较三种不同的生物膜类型，发现分类组成和多样性在单个泉系统内的微生境中存在系统性变化。白色生物膜富集了硫氧化化学自养菌，如 Sulfurovum和 Halothiobacillus。在阳光照射区域与白色垫混合出现的紫色生物膜，则包含了硫氧化菌和光养硫细菌的混合体。Sulfurovum在白色和紫色生物膜中的存在表明，该属在该系统的硫循环中扮演着灵活且可能核心的角色。相比之下，来自邻近淡水涌出点的棕色生物膜缺乏丰富的硫代谢类群，并表现出更均匀的异养菌和光合真核生物组合。Alpha多样性指标支持了这一模式，棕色生物膜显示出最高的丰富度和均匀度，而白色垫则由少数硫专性类群主导。这一模式与化学极端条件下的环境过滤作用一致，其中氧化还原限制制约了生态位可用性和分类多样性。Beta多样性模式进一步强化了这种分化。PERMANOVA证实了组间群落组成的显著差异，表明硫可用性和淡水条件构建了这些群落。
一个值得注意的缺失是，在富硫生物膜中未发现 Beggiatoa，这是一种在冷泉和硫化沉积物中常见的丝状硫氧化菌。虽然观察到浸没表面存在致密的白色丝状物质，但16S rRNA测序并未检测到 Beggiatoa或其他已知的丝状硫氧化菌属。这些丝状物可能代表了由非丝状硫氧化菌主导的致密生物膜，或与微生物活动相关的非生物硫积累。
结论
总之，这项研究凸显了低温硫泉环境的复杂性以及微生物群落在短距离内的强烈空间结构。尽管低温硫化泉的研究不如其地热对应物充分，但它们可能拥有类似的特化和多样化微生物群。这里观察到的化学自养和光合硫代谢的结合，强调了光-硫化物相互作用在塑造微生物群落组装中的重要性。未来的工作应包括有针对性的宏基因组或宏转录组分析，以解析原位硫代谢的功能途径。此外，对垫内硫化物和氧气梯度的高分辨率测量，以及季节性采样，可以阐明群落结构的时间和空间动态。鉴于布卢特泉淡水和富硫微生境的接近性，该地点为探索低温环境中微生物适应、生态位分化以及硫基能量代谢的演化提供了一个独特的天然实验室。
