Functional profiling of coastal microbial mats from the Yucatan Peninsula: methane, nitrogen and sulfur metabolism
本研究利用宏基因组学技术揭示了尤卡坦半岛沿岸微生物席的功能异质性，表明特定的微生物席类型和位置在甲烷、硫和氮代谢方面表现出截然不同的潜力，这直接影响了温室气体的排放和营养循环。
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在沿海泻湖的表层之下，在淡水与海水交汇之处，铺展着一层薄薄的、充满生机的微生物地毯，它们扮演着地球上看不见的引擎。这些微生物席不仅仅是黏液；它们是复杂的、分层的城市，数以十亿计的生物在其中紧密协作，循环着生命的基本元素：碳、氮和硫。在这些微观邻里之间，环境的化学性质仅在几毫米的距离内就会发生剧烈变化。阳光驱动着顶层，产生氧气；而深层则变得黑暗且缺氧，使得不同的微生物团队能够分解有机物并释放气体。在这些最关键的过程当中，包括甲烷（一种强效温室气体）的产生与消耗，以及决定营养物质如何在生态系统中流动的硫和氮的转化。了解这些微小群落如何运作，对于理解沿海环境如何调节气候并支持更庞大的动植物世界至关重要。
在以石灰岩景观和广袤红树林为特征的尤卡坦半岛，研究人员将注意力转向了这些微生物席，以了解它们隐藏的代谢生活。虽然科学家早已知晓这些微生物席存在于海岸线上——通常表现为漂浮的岛屿、平坦的地壳或凹凸不平的结节状丘状物——但允许它们处理甲烷、硫和氮的具体遗传指令此前仍是一个谜。一组科学家致力于通过收集来自三个不同地点的样本来解码这种遗传潜力：西萨尔（Sisal）的漂浮席、普罗格雷索（Progreso）的平坦与凹凸不平的席，以及里亚拉戈托斯（Ría Lagartos）的平坦席。通过使用一种被称为“鸟枪法测序”（shotgun sequencing）的技术——即同时读取样本中所有微生物的集体 DNA——研究人员无需在实验室中进行培养，即可重建这些群落的代谢能力。他们的目标是确定哪些化学途径处于活跃状态，以及不同类型的微生物席如何影响温室气体的释放和营养物质的循环。
研究显示，这些微生物席充满了活力，由驱动甲烷循环的特定微生物群体主导。研究人员发现，负责产生甲烷的微生物（被称为产甲烷菌）主要是名为“甲烷杆菌属”（Methanosarcina）的一类生物。这些生物倾向于通过分解乙酸盐（一种简单的有机化合物）而非其他方法来制造甲烷。有趣的是，这些席中还含有丰富的甲烷消耗细菌（即甲烷氧化菌）群落，其丰度甚至高于甲烷生产者。其中最常见的食甲烷者是名为“甲烷杆菌属”（Methylobacterium）的属。然而，制造与消耗甲烷之间的平衡因微生物席的类型和位置而异。位于西萨尔、与退化的红树林区域相关的漂浮席显示出最高的产甲烷潜力。相比之下，来自普罗格雷索和里亚拉格托斯的平坦席在消耗甲烷方面更为有效，充当了防止气体逃逸到大气的过滤器。这表明，微生物席的物理结构和水的盐度对于该生态系统是成为温室气体的来源还是有助于缓解排放的“汇”起着至关重要的作用。
硫代谢是这些咸水环境中另一个至关重要的过程，在不同地点也呈现出截然不同的模式。研究人员鉴定出一系列能够处理硫的细菌，其中最丰富的群体是“脱硫单胞菌属”（Desulfosarcina）和“假脱硫单胞菌属”（Pseudodesulfovibrio）。在大多数微生物席中，微生物主要利用硫来构建自身的细胞结构，这一过程被称为同化还原作用。然而，里亚拉格托斯的平坦席却有所不同；在高度盐分的环境驱动下，这些微生物席表现出更高的异化硫酸盐还原潜力（即利用硫来产生能量），以及将产生的硫化物重新氧化为硫酸盐的能力。这表明在里亚拉格托斯的超高盐度条件下，存在着一个高效且快速的硫循环。与此同时，西萨尔的漂浮席展现出独特的硫传递系统能力，这可能有助于该群落实现有害硫化合物的解毒，是其在退化的红树林带多变条件下生存的必要适应。
氮是植物生长必不可少的营养素，被发现是这些微生物席中最丰富的代谢主题，与氮相关的微生物占据了总群落近四分之一的比例。该循环中的主导角色是“链霉菌属”（Streptomyces）和“假单胞菌属”（Pseudomonas）的细菌，这些是能够以多种方式转化氮的多功能生物。研究发现，普罗格雷索的微生物席，特别是那些位于红树林修复区的微生物席，具有强大的固氮能力，即从空气中提取氮以使其对植物可用。这表明这些微生物席正在积极地富集土壤。相反，西萨尔和里亚拉格托斯的微生物席则表现出更高的反硝化潜力，即通过该过程将氮化合物转化为离开生态系统的气体。这一路径可能会释放一氧化二氮（另一种强效温室气体），这意味着虽然这些微生物席对营养循环至关重要，但它们也可能以不同于普罗格雷索稳定席的方式向大气排放物质。
最终，这项研究描绘了一幅功能多样性的图景：即相同的基本微生物工具根据环境的不同而被差异化地使用。研究证实，尽管这些微生物席拥有处理甲烷、硫和氮的核心微生物群，但它们的特定代谢策略是针对当地条件进行精细调整的。里亚拉格托斯和普罗格雷索的平坦席似乎充当了稳健的过滤器，消耗甲烷并保留氮，而西萨尔的漂浮席则更有可能产生甲烷并释放氮气。这些发现强调了红树林生态系统的健康状况和结构直接影响着其下方微生物席的化学行为。通过了解这些遗传潜力，科学家可以更好地预测沿海环境对盐度和植被变化的反应，从而为管理这些关键生态系统、最大限度减少温室气体排放并支持生物多样性提供更清晰的路径。
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