在古老山洞里“挖”科研富矿

一个古老的山洞里会有什么？枯萎的树枝烂叶？恶臭刺鼻的污水沟渠？还是腐烂了的虫鸟尸体？

“都不是！”中国科学院亚热带农业生态研究所（以下简称“亚热带生态所”）和德国、瑞士等国的科研人员近日联合发表的一项研究成果显示，他们在一个德国的古老山洞里发现了大量的生物被膜，并从其中初步发现一株新型厌氧甲烷氧化细菌，临时命名为CandidatusMethylomirabilis iodofontis。近日，该研究论文在线发表于《微生物》（mLife）上。

“整个山洞的四周被密密麻麻的生物被膜覆盖，这实属罕见，对我们而言可谓一座科研富矿，值得我们不断去‘挖掘’。”论文第一作者兼通讯作者、亚热带生态所研究员朱宝利表示，此次发现仅是团队在该山洞开展研究的冰山一角，后续还将推出系列研究成果。

洞内晶莹剔透的生物被膜。受访者 供图

熟悉又神秘的“神洞”

那么，这究竟是一个怎样的山洞？

上述论文通讯作者、德国拜罗伊特大学教授Tillmann Lueders是德国人，据他介绍，这个山洞在本地被称作“Sulzbrunn spring cavern”，位于德国南部巴伐利亚州肯普滕市东南方向的萨尔兹堡镇，海拔875米。

山洞外景。受访者 供图

“这是一个大多当地人都熟知的洞穴。”Tillmann Lueders介绍，据山洞及周围地区的考古发现初步表明，至少在罗马时代当地人就已经使用了山洞周围的泉水。据说，1059年，一份主教的文件中首次书面提及这些资料。

说它“熟悉”，是因为这个山洞有着悠久的历史。据史料记载，早在1837年，当地的一个旅店老板在喝了三个月山洞里流出的泉水后，发现其甲状腺肿完全治愈，这一消息引起了当地医疗界的轰动，医者在分析泉水的成分后发现泉水富含碘。到了1840年，当地还有人将泉水灌装出售。1852年，当地人利用山洞中流出的泉水建成碘浴疗养胜地。

此后，“神奇”的山洞泉水一直被用来治疗一些疾病。1925年，当地的一家公司收购了山洞及周边水域，对其重新装修，开始专门提供温泉疗法、富碘矿泉水等医疗服务和相关产品。1960年，一个牧师将山洞旁的房屋购买下来，专门借助泉水来治疗毒瘾等各种成瘾患者，2008年被彻底关闭。

虽然从山洞里冒出来的泉水古老且被人熟知，但大家似乎并不知道山洞里面究竟是什么样的。直至2014年，山洞管理处的一位工作人员发现洞内的“异样”后，将这一消息告知在德国颇为著名的研究机构——德国慕尼黑亥姆霍兹环境健康研究中心。

长满“鼻涕”的微生物研究“富矿”

“工作人员的描述中，山洞里面长满了类似钟乳石的东西。”彼时的朱宝利正在德国慕尼黑亥姆霍兹环境健康研究中心从事博士后研究工作，主攻方向是微生物，获知消息后，他和团队成员决定到山洞里一探究竟。

山洞离上述研究中心有近2小时的车程。虽然山洞经历了多次修缮，已不属于纯天然的洞穴，但安全起见，团队成员尽可能地带了防护面具、防护服等装备。

朱利宝（前）和同事进入山洞（非首次进入山洞时的图片）。受访者 供图

“团队首次进入山洞是在冬季。”朱宝利说，入洞前，大家对洞内空气等进行测量，发现除了空气中甲烷超标（甲烷浓度高达3000 ppm）外，并无其他毒性物质。“甲烷对人基本无毒，但是山洞内部空气中氧含量明显降低，可能会使人窒息。虽洞内甲烷浓度虽远高于洞外，但其浓度水平还不至于伤人。”

经过进一步勘查，团队发现山洞内的构造并不复杂。整个山洞只有一个入口，位于山坡上，从入口垂直向下8米左右山洞见底，山洞底部又是一个长达16米的“小隧道”，高约1.2米，在“小隧道”的尽头，有一个山泉出水口，这里也比其他地方更深、更宽阔。

山洞构造示意图。受访者 供图

“首次进入山洞时，洞里面的水浸满了整个‘小隧道’，以至于队员无法正常进入。”Tillmann Lueders说，借助山洞管理处的抽水等设备， 团队将洞里的水抽至只能没过鞋子时才得以进入。排水的过程也可以将洞内的甲烷逐步排出来。

进入山洞。受访者 供图

“第一次进入洞里的那一刻，大家都惊呆了。”朱宝利说，整个洞内布满了大量生物被膜，尤其是顶部，手电照射过去后显得晶莹剔透，非常壮观。“小隧道”顶部、侧壁和水面下侧壁的生物被膜景观各不相同。“我们惊奇于有如此罕见的生物被膜在这里分布，惊喜于收获了一座研究微生物的‘富矿’。”

团队成员在测生物膜里面的氧气浓度。受访者 供图

“洞里的貌似钟乳石的生物被膜，其实并不像钟乳石那样呈固体状，而是凝胶态分布的，非常像鼻涕，黏糊糊的。”朱宝利说，团队已在不同季节进入山洞开展数次研究采样工作，“我们发现这些微生物膜还有自我恢复功能，上次采样后缺失的部分下次会重新‘长出’生物被膜来。”

可“自立自强”的氧化甲烷细菌？

洞内究竟是何种微生物？它们为什么在甲烷浓度高、氧气含量底的环境下生存？天花板和洞壁及水面下的微生物又有何不同？

带着这些疑问，研究团队多次在洞里采样开展研究，目前已经发表的最新研究成果便是发现一株新型厌氧甲烷氧化细菌。

什么是厌氧甲烷氧化细菌？其实，微生物包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生物群体，它个体微小但与人类关系密切。微生物一般分厌氧微生物和好氧微生物，前者即不需要氧气就可以生存的微生物，后者反之。通俗地说，厌氧甲烷氧化细菌，就是不靠氧气仍能氧化甲烷的细菌。

据介绍，自然环境中微生物通常组织为生物被膜，其结构特征提高了微生物生物群落在具有挑战性的环境条件下的活性和持久性。以前业界在以光营养初级生产为主的地表水系统或工程水系统中报道过大量生物膜的存在。在地下水系统中，生物被膜在很大程度上被认为是厌氧的。尽管如此，许多洞穴和岩溶系统中存在着好氧的生物膜和丰富的微生物多样性。

附着在天花板上的生物被膜。受访者 供图

“利用透射电镜分析，我们首先在洞内水面下侧壁的生物被膜中发现了‘星型’微生物细胞，这跟团队之前发现的新型甲烷氧化细菌Methylomirabilis oxyfera的形态相似。”朱宝利说，这一类细菌的量非常大，占整个生物被膜中总微生物的百分之十几。这种情况是非常少见的，说明这类微生物很适应这种环境。

一般情况下，微生物氧化甲烷是必须要有氧气，也就是说要“借力打力”，以外界的氧气为“动力”去氧化甲烷，完成生理代谢。而该团队之前发现的Methylomirabilis oxyfera细菌是厌氧的，但是它能够通过产氧反硝化途径从亚硝酸盐产生自己的氧气，从而氧化甲烷的。“然而，洞内泉水中检测不到亚硝酸盐，硝酸盐浓度也很低（<0.2 mg l^-1），为何还能有如此富集的Methylomirabilis类微生物？”朱宝利说，为此，团队提出了一个构想，山洞中的新型Methylomirabilis细菌是不是可以利用泉水中的碘酸盐作为电子受体来氧化甲烷？

“深入研究后惊奇地发现，除了好氧甲烷氧化以及产氧反硝化途径外，该细菌基因组中的确还具有碘酸盐还原酶编码基因簇。其基因簇中基因的排列顺序以及催化亚基基因序列与已知的碘酸盐还原酶一致且相似度较高，表明该细菌可能同时具有甲烷氧化、产氧反硝化和碘酸盐还原的潜力。”朱宝利说，该研究为一种新的潜在的甲烷氧化过程——碘酸盐驱动的厌氧甲烷氧化提供了基因组方面的证据，但其利用碘酸盐驱动厌氧甲烷氧化的活性和功能还需要进一步验证。

已有的科学研究表明，甲烷导致的地球表面温室效应不断增加。“如果上述构想被完全证实，那该项研究的科学意义在于，人类又发现了一个新的甲烷氧化过程。”朱宝利表示，随着研究的不断深入，这类微生物或将在降低甲烷排放、减缓全球变暖等方面发挥重要的生态功能。