尤卡坦州的水下洞穴拥有多样化的微生物群落

在经验丰富的水下洞穴潜水队的帮助下，西北大学的研究人员构建了迄今为止最完整的生活在墨西哥尤卡坦半岛下水下迷宫中的微生物群落地图。

尽管之前的研究人员已经从洞穴入口和易于接近的天坑中收集了水和微生物样本，但西北大学领导的团队到达了未照亮水域的深邃黑暗通道，以更好地了解在这个独特的地下领域中可以生存的东西。

在分析了样本后，研究人员注意到一个具有丰富多样性的系统，这些系统被组织成不同的模式。与刻板的高中午餐室类似，洞穴系统内的微生物群落倾向于聚集成定义明确的小集团。但有一个细菌家族（Comamonadaceae）充当了一种流行的社交蝴蝶——出现在近三分之二的“自助餐厅餐桌”上。研究结果表明， Comamonadaceae 是更广泛社区的生态关键。

该研究于上周（11月2日）晚些时候发表在《应用与环境微生物学》杂志上。

“这无疑是世界上这一地区最广泛的微生物调查，”领导这项研究的西北大学的Magdalena R. Osburn说。“这些是非常特殊的地下河样本，特别难以获得。从这些样本中，我们能够对生活在这些地点的微生物种群的基因进行测序。这个地下河系统为数百万人提供饮用水。因此，无论那里的微生物群落发生什么，都有可能被人类感觉到。

作为一名地球生物学专家，奥斯本是西北大学温伯格艺术与科学学院的地球和行星科学副教授。西北大学校友马修·塞伦斯基（Matthew Selensky）在奥斯本实验室读研究生时领导了这个项目，作为他论文的一部分。该研究的合著者、温伯格大学地球与行星科学教授帕特里夏·贝多斯（Patricia Beddows）领导了洞穴潜水探险队，并利用了她数十年来在这些洞穴中工作的经验。西北大学的其他合著者包括地球和行星科学教授安德鲁·雅各布森（Andrew Jacobson）和专注于地球化学的前研究生卡琳·德弗兰科（Karyn DeFranco）。

尤卡坦半岛东部研究区域被巨大的相互连接的淹没隧道刺穿，起到地下河的作用。图片来源：娜塔莉·吉布

广阔的尤卡坦州碳酸盐含水层主要位于墨西哥东南部，布满了无数的天坑，通向复杂的水下洞穴网络。水下网络拥有多样化但未被充分研究的微生物组，包含淡水、海水和两者的混合物区域。该系统还包括各种区域——从漆黑的深坑，没有直接开口到地表，到阳光闪闪发光的浅天坑。

“尤卡坦平台本质上是洞穴管道的瑞士奶酪，”奥斯本说。“我们很好奇，当我们观察整个系统时，哪些微生物是一起发现的，哪些微生物是在一个’社区’内发现的。

为了探索这个问题，一组洞穴潜水员从墨西哥金塔纳罗奥州加勒比海岸附近的洞穴系统内的12个独立地点收集了78个水样。样本采集范围从北端的 Xunaan Ha 系统到 Sac Actun 系统的内陆和沿海部分（包括一个独特的 60 米深坑），再到南部的 Ox Bel Ha 系统。

回到一个由潜水店改建的科学实验室，研究人员从每个样本中过滤出细胞并分析其化学成分。接下来，回到西北大学，他们通过对微生物群落的DNA进行测序来识别微生物群落。然后，Selensky开发了一个新的计算程序来对数据集进行网络分析。由此产生的网络显示了哪些物种倾向于生活在一起。对于每个地点，研究人员考虑了每个微生物群落的环境背景，包括洞穴类型（坑或管道），洞穴系统，与加勒比海岸的距离，地球化学和在水柱中的位置。

马修·塞伦斯基（Matthew Selensky）处理水样，收集过滤器上的微生物，这些微生物被保存下来以备日后进行基因测序。图片来源：娜塔莉·吉布

研究人员发现，尽管来自墨西哥湾的水流入尤卡坦含水层，但含水层的微生物组与附近海域有很大不同。微生物组在整个洞穴系统中也各不相同——从一个洞穴到另一个洞穴，从浅水到深水。

“微生物群落形成了不同的生态位，”奥斯本说。“有各种各样的角色似乎在四处走动，这取决于你看哪里。但是，当你纵观整个数据集时，就会发现有一组核心生物似乎在每个生态系统中都发挥着关键作用。

Osburn和她的团队发现， Comamonadaceae是一种通常在地下水系统中发现的细菌家族，生活在几个生态位中。他们还发现，一个深坑状的天坑，表面开口（允许阳光洒进来）容纳了最多的微生物群落 – 在整个水柱中分离成不同的生态位层。

“似乎 Comamonadaceae 在含水层的不同部分扮演着略微不同的角色，但它总是发挥着重要作用，”Osburn说。“根据地区的不同，它有不同的合作伙伴。 Comamonadaceae和它的伴侣可能有一些共生的新陈代谢，也许共享食物。

这项研究名为“尤卡坦州东部碳酸盐含水层的微生物生物地理学”，得到了大卫和露西尔·帕卡德基金会和加拿大研究促进研究所的支持。