碳、氮与硫循环揭示阿塔卡马海沟深海微生物生态位

最深处的黑暗里的生命

在智利北部近海的波浪之下，海底寒冷、黑暗，表面看似荒芜。然而这些沉积物中栖息着繁忙的微生物群落，它们默默地循环着关键元素，帮助维持海洋的适居性。本研究探讨了阿塔卡马海沟地区深处这些微生物的身份以及它们如何谋生，揭示了一种广泛存在的“雨养”深海生态系统与一个由地下化学能驱动的隐秘绿洲。

深海的两种供能方式

研究人员参加了一次前往秘鲁—智利海槽系统的考察，重点采样了大约海平面下2,400至4,000米之间的深渊沉积物。他们采样的大多数地点都是典型的深海底部，那里生命依赖缓慢下落的“海雪”——由表层光照区下沉的微小死亡浮游生物和其他碎屑。在这些地点，微生物群落在数十公里范围内出乎意料地一致。细菌和古菌占主导，主要通过分解这些陈旧的有机物维持生存，在有氧处利用氧气，而在泥层更深处则转向其他代谢途径。

海底的化学绿洲

然而，一个采样点格外显眼。在约2,800米深处，遥控潜水器发现了更暗的沉积物、明亮的白色微生物毯和成群的大型蛤蜊。这些线索指向一个冷喷口——一种从海底渗出的富化学物质的地点，但不像热液喷口那样伴有高温。在这里，许多微生物似乎不是主要依赖上方下落的碎屑，而是利用自下而上涌出的还原硫化合物作为能量来源。研究团队在该斑块内外采集了沉积岩芯，以将其化学与生物特征与周围平原进行比较。

矿物与分子写下的线索

回到实验室，沉积物讲述了一个分层的故事。整个区域中，石英颗粒和其他岩屑与表层海洋中硅藻的碎片混合，确认了与海雪的联系。但在这个特殊的喷口地点，上层一厘米的沉积物中含有小的白云石晶体，更深的层位充满了如黄铁矿等硫化铁矿物。与升高的硫和铁含量一起，这些矿物表明喷口流体曾在泥中促进强烈的化学反应。与此同时，孔隙水测量显示氧气含量极低并在深层存在显著的还原迹象，为利用硫酸盐和其他化合物代替氧气“呼吸”的微生物提供了理想条件。

以硫为生而非以甲烷为生的微生物

团队采用转录组学方法，读取活跃表达的基因，从而绘制出哪些微生物在做什么。在喷口外，群落以需氧细菌和可氧化氨的古菌为主，它们参与氮、碳及微量硫的加工。在喷口内部，表层菌毯拥挤着与典型白色丝状体相近的氧化硫细菌，还有携带内部嗜硫共生体的蛤蜊。仅几厘米深处，群落发生了明显变化：需氧者减少，厌氧专营者占据主导，包括能够将硫酸盐还原为硫化物、利用溶解的二氧化碳固碳以及分解难降解有机物的微生物。值得注意的是，许多冷喷口常见的嗜甲烷古菌几乎缺失，关键的甲烷代谢基因也很少，表明该系统主要以硫而非甲烷作为能量来源。

这个隐秘世界的启示

地质与基因证据共同勾勒出一个具有两种交织生存模式的深海景观。该区域大部分海底承载的群落靠海雪的缓慢分解为生，以相对稳定的方式循环碳与氮。相对而言，这个冷喷口作为一个局部绿洲，化学能来自还原硫，支持着致密的细菌菌毯、蛤蜊及高度特化的地下微生物群落。溶解白云石和大量黄铁矿的存在暗示喷出可能在过去更强，但即便在今日，硫循环仍然非常活跃。对普通读者而言，关键的信息是：深海并非均质的沙漠；微妙的化学能泄露可以开辟出不同的栖息地，每个栖息地都有其独特的微观参与者，它们默默地塑造着全球的碳、氮与硫循环。

引用: Arribas Tiemblo, M., Azua-Bustos, A., Sánchez-España, J. et al. Carbon, nitrogen, and sulfur cycling unveil deep-sea microbial niches in the Atacama Trench. Nat Commun 17, 4606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70869-3

关键词: 深海微生物, 冷喷口, 硫循环, 海雪, 阿塔卡马海沟