比利牛斯中部德沃冰洞山地永冻层内的微生物群落与生物矿化潜力

在消失世界中的隐秘生命

在比利牛斯中部高处，一处鲜为人知的冰洞——德沃洞，正随着气候变暖悄然萎缩。在这座冰封的洞穴内，科学家发现了生活在可达数千年之久冰层中的丰富微生物群落。这些微小生命不仅能在永久的寒冷和黑暗中存活；它们还可能参与构建那些记录过去气候的精细矿物结构。理解这一隐秘生态系统的运行机制，可以帮助我们预见山地永冻层的未来，为极端环境中的生命提供线索，甚至启发利用微生物开发新技术的思路。

三种类型的洞内冰

德沃洞位于年平均气温接近冰点高度线之下。洞内划分为不同区带：靠近入口处的流水和滴水、每年融化和再冻结的季节性冰，以及持续多年不融的深层永年冰。研究人员采集了三种栖息地——液态水、季节性冰和长寿命冰——以比较它们的化学性质与生物群落。他们发现水体是否冰冻是区分样品的主要因素：液态河水和滴水在碳含量与主要离子组成上与冰体明显不同，这证实了洞穴各部分为生命提供了不同的环境。

由微生物塑形的奇特矿物

德沃洞含有一套不寻常的矿物——低温洞穴碳酸盐，这类矿物在水结冰并将溶解物挤压入残留微小液体口袋时形成。随着盐水浓缩，方解石、文石、维特石、富镁方解石和尼斯奎霍奈特等矿物会结晶。利用高分辨率电子显微镜，团队观察到球状和针状的碳酸盐结构，这些形态与其他洞穴中被认为受微生物影响的矿物形态非常相似。微生物的黏液层和细胞表面可作为矿物晶体成核与生长的支架，尤其在富含钙镁且呈弱碱性的条件下。这些观察表明，德沃洞的矿物不仅是简单冻结的产物，也包含生物活动的印记。

在寒冷与黑暗中繁荣的群落

为了识别这一冰封栖地的居民，科学家对细菌、古菌和微型真核生物（包括真菌和藻类）的遗传标记进行了测序。他们检测到九千多种不同的遗传变体，主要由如变形菌门、放线菌门和Patescibacteria等细菌占主导——这些类群常见于寒冷、养分贫乏的环境。靠近入口的液态水和季节性冰含有更多喜光生物，包括蓝细菌和绿藻，这与它们偶有接受阳光照射相一致。相比之下，深层永年冰富集了适应黑暗与匮乏的微生物，包括能降解复杂有机物的Lysobacter属等。真菌属如青霉属（Penicillium）和煤孢属（Cladosporium）也十分丰富，可能在循环利用有限的有机物质方面发挥作用。值得注意的是，超过一半的真核生物序列无法匹配到已知生物，凸显出尚未描述的大量“微生物黑暗物质”。

驱动矿化的代谢技巧

除了物种目录外，团队还通过定向基因调查和全基因组宏基因组测序推断这些微生物可能的功能。在永年冰中，他们发现与碳固定、发酵、甲烷代谢以及氮与硫循环相关的基因——这些都是洞穴隐秘化学过程的重要组成部分。关键的是，他们鉴定出已知可促成矿物形成的酶基因：能够局部提高pH的脲酶和氨裂解酶，以及加速二氧化碳转化为碳酸根离子的碳酸酐酶。他们还检测到硝酸盐和硫酸盐还原通路，这些过程可以改变水体化学并促使碳酸盐和硫酸盐矿物的沉淀。尽管这些基因的丰度较低且未直接测量其活性，但其存在，加之显微镜下观察到的矿物形态，强烈支持了德沃洞中微生物在长期尺度上驱动细菌诱导矿物沉淀的观点。

这些冰封微生物的重要性

德沃洞表明，即使在表面看似无生命的山地冰块中，复杂的微生物群落仍能存活并微妙地改造其周围环境。每一种栖息地——流动水、季节性冰和古老的永年冰——都有其独特的生物与化学条件，它们共同影响着矿物的形成及生长方式。对非专业读者而言，关键结论是：微生物可以作为地下世界的静默工程师，留下记录过去环境的矿物“指纹”。随着永冻层和冰洞在气候变化中缩减，类似研究记录下了一个正在消逝的气候与生物多样性档案，同时为其他行星与卫星上可能存在的冰冷环境中类似的微生物—矿物互作提供了可比的模型。

引用: Muñoz-Hisado, V., Bartolomé, M., Osácar, M.C. et al. Microbial communities and biomineralization potential within mountain permafrost of the Devaux ice cave in the Central Pyrenees. Sci Rep 16, 6232 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37305-4

关键词: 冰洞, 微生物生命, 生物矿化, 永冻层, 低温矿物