在德國南部巴伐利亞州肯普滕市東南方向的薩爾茲堡鎮(zhèn)，有一個神奇的山洞。據(jù)史料記載，在過去百余年的歷史里，山洞中流出的泉水曾被當?shù)厝擞脕碇委熂谞钕偌膊 ⒍景a等。
百年后的今天，科學家又在這個“神洞”里有了令他們無比興奮的新發(fā)現(xiàn)——大量“鼻涕”狀的可再生的不明物體。
“這是個罕見的‘科研富礦’！”作為探洞科學家之一，中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所（以下簡稱亞熱帶生態(tài)所）研究員朱寶利饒有興致地向《中國科學報》講起了他和德國、瑞士等國科研人員的新發(fā)現(xiàn)。
近日，他們的研究論文在線發(fā)表于《微生物》（mLife）上，朱寶利為論文第一作者和通訊作者。
熟悉又神秘的“神洞”
論文通訊作者、德國拜羅伊特大學教授Tillmann Lueders介紹，這個位于德國南部的山洞海拔875米。
“不少當?shù)厝硕际熘@個洞穴?！盩illmann Lueders說，考古發(fā)現(xiàn)初步表明，至少在羅馬時代當?shù)厝司鸵呀?jīng)使用了山洞流出的泉水。
據(jù)史料記載，早在1837年，當?shù)氐囊粋€旅店老板在喝了3個月山洞里流出的泉水后，發(fā)現(xiàn)其甲狀腺腫大完全治愈，醫(yī)者在分析泉水成分后發(fā)現(xiàn)其富含碘。到了1840年，當?shù)剡€有人將泉水灌裝出售。1852年，當?shù)厝死蒙蕉粗辛鞒龅娜ǔ傻庠’燄B(yǎng)勝地。
此后，山洞泉水一直被用來治療一些疾病。1925年，當?shù)匾患夜臼召徚松蕉醇爸苓吽?，對其重新裝修，開始專門提供溫泉療法、富碘礦泉水等醫(yī)療服務(wù)和相關(guān)產(chǎn)品。1960年，一個牧師將山洞旁的房屋購買下來，在這里專門借助泉水治療各種成癮患者，2008年該機構(gòu)被徹底關(guān)閉。
已經(jīng)被開發(fā)了百余年的一個山洞，還能有什么神秘之處？
雖然從山洞里冒出來的泉水的功效為人熟知，但大家似乎并不知道山洞里面究竟是什么樣的。直至2014年，山洞管理處的一位工作人員發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)的“異樣”后，將這一消息向德國頗為著名的研究機構(gòu)——德國慕尼黑亥姆霍茲環(huán)境健康研究中心報告。
長滿“鼻涕”的微生物研究“富礦”
“工作人員描述，山洞里面長滿了形似鐘乳石的東西?！北藭r朱寶利正在德國慕尼黑亥姆霍茲環(huán)境健康研究中心從事博士后研究，主攻方向是微生物。獲知消息后，他和團隊成員決定到山洞里一探究竟。
安全起見，團隊成員帶了防護面具、防護服等裝備。“團隊首次進入山洞是在冬季?！敝鞂毨f，入洞前，大家對洞內(nèi)空氣等進行測量，發(fā)現(xiàn)除了空氣中甲烷超標（甲烷濃度高達3000ppm）外，并無其他毒性物質(zhì)。
“甲烷對人基本無毒，但是山洞內(nèi)部空氣中氧含量明顯降低，可能會使人窒息。雖然洞內(nèi)甲烷濃度遠高于洞外，但其濃度水平還不至于傷人?！敝鞂毨f。
整個山洞只有一個入口，位于山坡上。從入口垂直向下8米左右山洞見底，山洞底部又是一個長達16米的“小隧道”，高約1.2米。在“小隧道”的盡頭，有一個山泉出水口，這里比其他地方更深、更寬闊。
“首次進入山洞時，洞里面的水浸滿了整個‘小隧道’?！盩illmann Lueders說，借助山洞管理處的抽水設(shè)備，團隊將洞里的水抽至只能沒過鞋子時才得以進入。排水的過程也將洞內(nèi)的甲烷逐步排出去。
“第一次進入洞里的那一刻，大家都驚呆了。”朱寶利說，整個洞內(nèi)布滿了大量生物被膜，尤其是頂部，手電照射下晶瑩剔透，非常壯觀?！靶∷淼馈表敳?、側(cè)壁和水面下側(cè)壁的生物被膜景觀各不相同?！拔覀凅@奇于有如此罕見的生物被膜分布在這里，驚喜于收獲了一座研究微生物的‘富礦’?！?/p>
“洞里貌似鐘乳石的生物被膜，其實并不像鐘乳石那樣呈固體狀，而是凝膠態(tài)，非常像鼻涕，黏糊糊的?！敝鞂毨f，團隊已在不同季節(jié)進入山洞開展數(shù)次研究采樣工作，“我們發(fā)現(xiàn)這些微生物被膜還有自我恢復(fù)功能，上次采樣后缺失的部分下次會重新‘長出’生物被膜來”。
可“自立自強”氧化甲烷的細菌？
洞內(nèi)究竟是何種微生物？它們?yōu)槭裁丛诩淄闈舛雀?、氧氣含量低的環(huán)境下生存？天花板和洞壁及水面下的微生物又有何不同？
帶著這些疑問，研究團隊多次在洞里采樣開展研究，已發(fā)表的最新研究成果便是從生物被膜中發(fā)現(xiàn)了一株新型厭氧甲烷氧化細菌，并臨時命名為Candidatus Methylomirabilis iodofontis。
什么是厭氧甲烷氧化細菌？微生物一般分厭氧微生物和好氧微生物，前者不需要氧氣就可以生存，后者反之。通俗地說，厭氧甲烷氧化細菌，就是不靠氧氣仍能氧化甲烷的細菌。
自然環(huán)境中微生物多以生物被膜的形式生活，附著在某些載體表面，其結(jié)構(gòu)特征提高了微生物生物群落在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下的活性和持久性。以前業(yè)界在以光營養(yǎng)初級生產(chǎn)為主的地表水系統(tǒng)或工程水系統(tǒng)中報道過大量生物被膜的存在。在地下水系統(tǒng)中，生物被膜在很大程度上被認為是厭氧的。盡管如此，許多洞穴和巖溶系統(tǒng)中存在著好氧的生物被膜和豐富的微生物多樣性。
“利用透射電鏡分析，我們首先在洞內(nèi)水面下側(cè)壁的生物被膜中發(fā)現(xiàn)了‘星型’微生物細胞，這跟團隊之前發(fā)現(xiàn)的新型甲烷氧化細菌Methylomirabilis oxyfera的形態(tài)相似?！敝鞂毨f，這一類細菌的量非常大，占整個生物被膜中總微生物的百分之十幾。這種情況是非常少見的，說明這類微生物很適應(yīng)這種環(huán)境。
一般情況下，微生物氧化甲烷必須要有氧氣，也就是說要“借力打力”，以外界的氧氣為“動力”去氧化甲烷，完成生理代謝。而該團隊之前發(fā)現(xiàn)的Methylomirabilis oxyfera細菌是厭氧的，但是它能夠通過產(chǎn)氧反硝化途徑從亞硝酸鹽產(chǎn)生氧氣，從而氧化甲烷。
“然而，洞內(nèi)泉水中檢測不到亞硝酸鹽，硝酸鹽濃度也很低，為何還能有如此富集的Methylomirabilis類微生物？”朱寶利說，為此，團隊提出了一個構(gòu)想，山洞中的細菌也許可以利用泉水中的碘酸鹽作為電子受體來氧化甲烷。
“深入研究后，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，除了好氧甲烷氧化以及產(chǎn)氧反硝化途徑外，該細菌基因組中的確還具有碘酸鹽還原酶編碼基因簇。其基因簇中基因的排列順序以及催化亞基基因序列與已知的碘酸鹽還原酶一致且相似度較高，表明該細菌可能同時具有甲烷氧化、產(chǎn)氧反硝化和碘酸鹽還原的潛力?！敝鞂毨f，該研究為一種新的潛在的甲烷氧化過程——碘酸鹽驅(qū)動的厭氧甲烷氧化提供了基因組方面的證據(jù)，但其利用碘酸鹽驅(qū)動厭氧甲烷氧化的活性和功能還需要進一步驗證。
已有科學研究表明，甲烷等導(dǎo)致的地球表面溫室效應(yīng)還在不斷增加。
“此次發(fā)現(xiàn)僅是團隊在該山洞開展的研究的冰山一角，后續(xù)還將推出系列研究成果。如果上述構(gòu)想被完全證實，那該研究的科學意義在于，人類又發(fā)現(xiàn)了一個新的甲烷氧化過程?！敝鞂毨f，隨著研究的不斷深入，這類微生物或?qū)⒃诮档图淄榕欧?、減緩全球變暖等方面發(fā)揮重要生態(tài)功能。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1002/mlf2.12033