使用细胞尺寸分级富集培养法探索瑞典Äspö地下含水层的微生物多样性

埋藏于脚下的隐秘生命

在瑞典的森林与海岸之下，古老岩石的寒冷黑暗裂隙中，庞大的微生物群落靠着微弱的能量悄然生存。这些微小生物参与驱动全球的碳和硫循环，但许多个体体积极小且高度依赖邻近微生物，几十年来一直躲避科学家的全面认识。本研究深入这一地下世界，揭示了一片出乎意料的“微生物暗物质”——由超小细胞组成的丰富群落，它们似乎通过与其他微生物紧密共存而非快速生长来维持生计。

作为隐蔽栖息地的深部地下水

研究人员在瑞典波罗的海沿岸的Äspö硬岩实验室工作，那里隧道穿过地表数百米下的古老花岗岩。地下水在岩石狭窄裂缝中缓慢流动。有些水相对较新，受降雨和土壤影响；有些更像稀释的海水；还有些则非常古老且含盐，长期与地表隔绝。早期研究已显示，这些地下水中存在多样的微生物群落，包括许多具有极小细胞和基因组的异常谱系。

关注最微小的细胞

为研究这些难以捉摸的微生物，团队从三种不同深度和化学特征的无氧地下水中取样——大气补给（受土壤影响）、海洋型和盐水型。随后他们在实验室中设置厌氧培养，添加了简单碳源（乙酸）或由破碎细菌细胞制成的复杂混合物。一个关键步骤是：在许多培养中，他们先将地下水通过能去除大于0.45微米细胞的滤器。通过滤器的则是超小的细菌与古菌，例如被归为Patescibacteria、Nanobdellota和Omnitrophota的群体，研究者怀疑这些群体代谢能力有限，依赖紧密的伙伴或宿主。

多样性存在但无明显增长

在数周到数月的培养过程中，科学家通过DNA测序和显微计数追踪细胞数量与群落组成。在含有未滤过完整地下水的培养中，总细胞数通常增加约十倍，但多样性下降，因为少数生长迅速的类群（如Bacillota、Spirochaetota或Desulfobacterota）占据主导。形成鲜明对比的是，经尺寸分级仅保留超小细胞的培养几乎未见细胞数增长，即使补充了乙酸或丰富的细胞裂解物。这些培养的遗传多样性仍然很高，常与原始地下水相当。这表明地下生物多样性的相当一部分存在于这些在给定条件下不表现出明显生长但能持久存在的超小形态中。

揭示依赖性生活方式的基因线索

为理解这些微生物如何维持生计，团队从培养样本中重建了数十个草案基因组。基因组较大的细菌，如Desulfobacterota和部分Pseudomonadota，携带多种代谢相关基因：分解复杂有机物、利用氧气或硫酸盐呼吸，甚至固碳。相比之下，Patescibacteria和Nanobdellota的基因组则非常微小且精简，缺乏完整的中心碳代谢途径，表现出有限的独立生长能力；但它们具备细胞分裂、细胞壁构建、附着结构和转运系统的基因。这种基因组合与它们依附或紧密关联于其他微生物，从伙伴处获取关键营养而非完全自给自足的生活方式一致。

黑暗中的微生物伙伴关系

在对许多地下水样品和培养的比较中，研究者还考察了哪些微生物谱系倾向于共同出现。他们发现Patescibacteria与数个其他类群（尤其是Desulfobacterota、Chloroflexota和Omnitrophota）之间存在显著的共现模式。虽然这些模式并不能证明直接的宿主—共生体关系，但它们支持这样一种设想：超小微生物可能围绕能够提供缺失构件与能量的代谢多能邻居聚集。在能源匮乏、物质供应缓慢且不可预测的深部地下，这类伙伴关系可能是关键的生存策略。

这对地球生命意味着什么

总体而言，该研究表明，深部低能地下水中微生物多样性的一个重要部分由超小细胞构成——在常规富集实验中几乎不增长，且很可能依赖与其他微生物的紧密相互作用。这些谱系在额外食物供应下并不会迅速繁荣，数量上保持相对稳定但分类学上依然丰富，暗示出一种缓慢且耦合紧密的生命网络，其运行的时间尺度与能量预算与地表生态系统截然不同。理解这些隐蔽群落不仅会重塑对地球生物量和生物多样性的估计，也为生命在极度匮乏条件下如何持久存在提供了窗口——这一见解同样可能适用于其他行星的地下环境。

引用: Westmeijer, G., Turner, S., Hevele, P. et al. Exploring microbial diversity using cell-size fractionated enrichment incubations from subsurface aquifers at Äspö, Sweden. Commun Biol 9, 378 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09706-8

关键词: 深部地下水, 超小型微生物, 微生物共生, Patescibacteria（帕特西菌门）, 低能生态系统