在布满“鼻涕”的山洞里“挖矿”

洞内晶莹剔透的生物被膜。

■本报记者 王昊昊

在德国南部巴伐利亚州肯普滕市东南方向的萨尔兹堡镇，有一个神奇的山洞。据史料记载，在过去百余年的历史里，山洞中流出的泉水曾被当地人用来治疗甲状腺疾病、毒瘾等。

百年后的今天，科学家又在这个“神洞”里有了令他们无比兴奋的新发现——大量“鼻涕”状的可再生的不明物体。

“这是个罕见的‘科研富矿’！”作为探洞科学家之一，中科院亚热带农业生态研究所（以下简称亚热带生态所）研究员朱宝利饶有兴致地向《中国科学报》讲起了他和德国、瑞士等国科研人员的新发现。

近日，他们的研究论文在线发表于《微生物》（mLife）上，朱宝利为论文第一作者和通讯作者。

熟悉又神秘的“神洞”

论文通讯作者、德国拜罗伊特大学教授Tillmann Lueders介绍，这个位于德国南部的山洞海拔875米。

“不少当地人都熟知这个洞穴。”Tillmann Lueders说，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流出的泉水。

据史料记载，早在1837年，当地的一个旅店老板在喝了3个月山洞里流出的泉水后，发现其甲状腺肿大完全治愈，医者在分析泉水成分后发现其富含碘。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，山洞泉水一直被用来治疗一些疾病。1925年，当地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，在这里专门借助泉水治疗各种成瘾患者，2008年该机构被彻底关闭。

已经被开发了百余年的一个山洞，还能有什么神秘之处？

虽然从山洞里冒出来的泉水的功效为人熟知，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，将这一消息向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报告。

长满“鼻涕”的微生物研究“富矿”

“工作人员描述，山洞里面长满了形似钟乳石的东西。”彼时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，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。

安全起见，团队成员带了防护面具、防护服等装备。“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3000ppm）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。虽然洞内甲烷浓度远高于洞外，但其浓度水平还不至于伤人。”朱宝利说。

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，这里比其他地方更深、更宽阔。

“首次进入山洞时，洞里面的水浸满了整个‘小隧道’。”Tillmann Lueders说，借助山洞管理处的抽水设备，团队将洞里的水抽至只能没过鞋子时才得以进入。排水的过程也将洞内的甲烷逐步排出去。

“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，手电照射下晶莹剔透，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分布在这里，惊喜于收获了一座研究微生物的‘富矿’。”

“洞里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，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被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”氧化甲烷的细菌？

洞内究竟是何种微生物？它们为什么在甲烷浓度高、氧气含量低的环境下生存？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，已发表的最新研究成果便是从生物被膜中发现了一株新型厌氧甲烷氧化细菌，并临时命名为Candidatus Methylomirabilis iodofontis。

什么是厌氧甲烷氧化细菌？微生物一般分厌氧微生物和好氧微生物，前者不需要氧气就可以生存，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。

自然环境中微生物多以生物被膜的形式生活，附着在某些载体表面，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被膜的存在。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被膜和丰富的微生物多样性。

“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氧气，从而氧化甲烷。

“然而，洞内泉水中检测不到亚硝酸盐，硝酸盐浓度也很低，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，山洞中的细菌也许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，我们惊奇地发现，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。

已有科学研究表明，甲烷等导致的地球表面温室效应还在不断增加。

“此次发现仅是团队在该山洞开展的研究的冰山一角，后续还将推出系列研究成果。如果上述构想被完全证实，那该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。”朱宝利说，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生态功能。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/mlf2.12033