位于贝加尔裂谷活动断层带的库尔图克地下水库中的微生物群落

《Journal of Great Lakes Research》：Microbial communities of the Kultuk groundwater reservoir located in an active fault zone of the Baikal Rift

地下水微生物群落与化学参数研究揭示白湖裂谷带特殊特征。两口水样化学组成显著不同于湖表水、底泥及河流口，具高钙镁离子及硝酸盐浓度。16S rRNA测序显示优势菌群为Pseudomonadota（90.4%）、Thermoproteota（71.1%）及Patescibacteria（2.5%-22%），存在粪便是示菌。微生物分布受生化元素调控（p<0.05），且与地质构造活动密切相关。

　　

A.S. 扎哈连科 | S.V. 布金 | I.A. 阿斯拉莫夫 | M.V. 萨基尔科 | E.P. 切比金 | S.V. 拉斯卡佐夫 | T.I. 泽姆斯卡亚

俄罗斯科学院西伯利亚分院湖泊学研究所，乌兰-巴托尔斯克街3号，664033，伊尔库茨克，俄罗斯

摘要

首次在贝加尔湖裂谷带轴向部分的库尔图克试验场，对两个抽取地下水的井中的微生物群落和化学参数进行了研究。这些井中的水化学成分与其他贝加尔湖南部的水体环境（如河口、底部沉积物和浮游水体）不同，其Ca²⁺、Cl￣、Mg²⁺、NO₃￣和SO₄²￣的浓度较高。井水中的微生物总量较低，有机营养菌和中温菌的数量也较少，并且存在粪便指示菌。这些地下水储层的微生物多样性和化学成分与相邻生境有显著差异。16S rRNA基因宏条形码分析显示，井中的微生物群主要由以下门类细菌主导：Pseudomonadota（90.4%和39.9%）、Actinomycetota（2.7%和8.7%）以及Patescibacteria（2.5%和22%）。在古菌中，Thermoproteota（71.1%和41.9%）和Nanoarchaeota（24.5%和23.2%）占主导地位。此外，其中一个井中的微生物群中还有相当比例的Thermoplasmatota（33.6%）。地下水微生物群落的结构主要受生物元素浓度的影响（p < 0.05）。这些溶质可能来源于深层来源，通过断层系统进入含水层，或者通过渗透到土壤中的降水从地表进入，同时携带了各种化合物和粪便指示菌。这些发现有助于我们更好地理解控制地下水微生物群落组成的物理化学因素。

引言

由于城市化、农业发展以及气候变化的影响，全球高质量水资源的可用性正在下降。地下水是地球上最大的淡水储备（Ferguson等人，2021年）。它是为世界大部分人口提供饮用水的重要资源，也可用于人类需求，包括许多工业和农业领域（Bagordo等人，2024年；Longnecker和Kujawinski，2011年）。

地下水生态系统是各种微生物的广阔而复杂的栖息地。20世纪70年代，由于从地下提取石油和饮用水，以及管道和井的腐蚀和堵塞，人们开始更深入地研究这些地下环境（Godsy和Ehrlich，1978年；Leenheer等人，1976年）。在地下水储层中发现了多种生理类型的微生物：好氧有机异养菌、硝化菌和硫酸盐还原菌，以及参与锰和硫氧化及铁还原的细菌（Hoos和Schweisfurth，1982年）。

地下水生态系统表现出显著的空间异质性和时间变异性（Ford等人，2024年；Griebler和Lueders，2009年）。这些环境中最丰富的细菌门类包括Pseudomonadota（同义词Proteobacteria，特别是Alpha-和Gammaproteobacteria）、Bacteroidota、Bacillota和Actinomycetota（Deng等人，2026年；Griebler和Lueders，2009年；Kim等人，2020年；Sha等人，2023年；Zhang等人，2024年；Zhong等人，2023年）。通过培养依赖性和非培养依赖性方法证实，这些门类中的异养菌占主导地位。此外，分子生物学方法揭示了更广泛的微生物多样性，发现了许多未培养的微生物谱系，来自Acidobacteriota、Chloroflexota、Verrucomicrobiota、Nitrospirota和Patescibacteria等门类（Kantor等人，2013年；Luef等人，2015年；Miyoshi等人，2005年；Sha等人，2023年；Tian等人，2020年；Zhong等人，2023年）。

地质和水文地质因素以及物理化学环境条件影响地下水中的微生物群落多样性和组成（Kim等人，2020年；Ning等人，2024年；Yan等人，2020年；Zhong等人，2023年）。即使不同生境因素发生微小变化，也会对地下水储层中的微生物群落产生显著且长期的影响（Akhtar等人，2020年；Iwamoto等人，2000年；Ning等人，2024年）。地质活动引起的对流是导致地下水微生物群落发生深刻变化的重要机制（Zhang等人，2022年）。地震后，地下水生态系统中的物种丰度和分布也会发生变化（Kim等人，2020年）。还观察到了雨水径流、季节性、地下水补给、地上工业类型以及各种污染物的影响（Celico等人，2004年；De Lambert等人，2021年；Griebler和Lueders，2009年；Sha等人，2023年；Yan等人，2021年）。

关于断层带内地下水微生物组成的研究很少，迄今为止在贝加尔裂谷带（BRZ）尚未进行此类研究。虽然断层含水层中的微生物群落仍研究不足，但人们更多关注一个实际问题：饮用水分配系统中的生物膜形成，这是利用地下水时常见的问题（Erdei-Tombor等人，2024年；Wingender和Flemming，2011年）。实验研究表明，这些生物膜的微生物组成受到管道材料本身的严重影响（Erdei-Tombor等人，2024年）。例如，聚乙烯、聚丁烯和聚氯乙烯（PVC）等合成聚合物会渗出可生物降解的有机化合物，成为细菌生长的基质（Bucheli-Witschel等人，2012年；Skjevrak等人，2003年）。

贝加尔地区是地球地壳上水文地质条件最复杂的区域之一，有许多受地壳运动和相关构造断层影响的地下水储层（Pinneker等人，1968年）。这个地震活跃区经常发生地震，包括重大地震，这一点由俄罗斯科学院贝加尔分院的地震服务部门进行了监测（https://seis-bykl.ru）。

迄今为止，对BRZ地下水进行的微生物学研究非常有限。早期的研究主要集中在评估贝加尔湖南端高娱乐压力区域井中的卫生指示微生物（Alexeeva等人，2023年；Vorobyova和Vlasova，2018年）。关于BRZ地下水微生物多样性的研究主要局限于贝加尔湖中部和北部的温泉，这些地方存在多极端嗜热微生物群落（Chernitsyna等人，2023年；Maltseva等人，2025年；Pavlova等人，2024年）。

贝加尔湖南端的地下水储层（库尔图克试验场）位于贝加尔湖南盆地的低洼处，属于浅层（地表以下50米以内）的地下土层（Griebler和Lueders，2009年）。该区域的地下水属于孔隙层状和裂隙-喀斯特类型（Pinneker等人，1968年）。试验场有几十口井在运行，其中五口井处于水文地质监测之下（Rasskazov等人，2022年；Rasskazov等人，2015年）。这些井位于不同的活动断层上，其水文地质参数各不相同。当地居民使用这些井中的水作为饮用水。监测结果用于评估BRZ地震期间地壳中部变形的情况（Rasskazov等人，2023年）。井中安装了注水泵和探针，以实时记录氧化还原电位、pH值和温度。在定期检查传感器状态时，可以观察到其表面形成不同颜色的生物膜，这些生物膜的组成未知。

本研究首次评估了库尔图克试验场井中的微生物群落和化学成分。本研究的主要目标是：（i）确定井中水的化学成分；（ii）研究地下水储层中两个井以及传感器上形成的生物膜中微生物群落的分类结构和多样性（包括粪便指示菌）；（iii）将获得的结果与贝加尔湖水和沉积物的数据进行比较；（iv）评估物理化学参数对各个分类单元分布的影响。

研究区域和采样方法

研究区域和采样方法的特点

选择了两口裂缝型地下水井（图1A）进行研究：井9–9w（环贝加尔铁路沿线，坐标：E: 51°43.797′, N: 103°42.288′）和井184–184w（Shkolnaya，E: 51°43.430′, N: 103°42.012′），两者相距1624米（Rasskazov等人，2023年）。井9w位于Obruchev断层活跃区；井口海拔高度为477米，高于贝加尔湖水面（456米）（图1B）。井深为35米；水位

物理化学特性

井中的pH值分别为8.47（9w）和7.97（184w），这与贝加尔湖及其支流的水质相符。井中的水属于碳酸钙类水。两口井中的水化学成分有所不同：184w中的总离子含量（198 mg/L）高于9w（138 mg/L），即使不考虑HCO₃^?离子，这一数值也高于贝加尔湖水的总离子含量（96 mg/L，Falkner等人，1991年）。

讨论

正如我们的研究所示，这两口井中的水在化学参数上存在差异，与贝加尔湖浮游区、小河河口区及贝加尔湖南部底部沉积物的孔隙水不同。井水中Ca²⁺、Cl^?、Mg²⁺和NO₃^?离子的浓度较高，超过了贝加尔湖水的含量（Falkner等人，1991年）。含水层的不同深度和与湖水的距离导致了这些差异。

结论

本研究首次提供了位于地震活跃区的库尔图克试验场地下水的理化和微生物特征数据。基于水化学分析、经典培养方法和Illumina 16S rRNA基因测序的结果表明，这两口井中的水在某些离子的浓度以及微生物群落的结构和多样性方面存在显著差异。

作者贡献声明

A.S. 扎哈连科：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，数据可视化，调查，形式分析，数据管理。S.V. 布金：形式分析。I.A. 阿斯拉莫夫：调查，资金获取。M.V. 萨基尔科：调查。E.P. 切比金：调查。S.V. 拉斯卡佐夫：调查。T.I. 泽姆斯卡亚：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念化，项目管理，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了俄罗斯科学院西伯利亚分院的国家项目支持：项目编号FWSR-2026-0011（1025031800035-4-1.5.1）——微生物学领域；项目编号FWSR-2026-0009（1023032700323-4-1.5.12）——水化学领域。作者感谢伊尔库茨克超级计算中心（俄罗斯科学院西伯利亚分院）提供了“Akademik V.M. Matrosov”高性能计算集群和全俄农业微生物研究所的“基因组技术、蛋白质组学和细胞生物学”核心设施的支持。