探索地下深部微生物生命奥秘

　　上天入地是人类自古以来的梦想，上天探月已经实现，人类已登上距地球约38万公里的月球，并已发射探测器到距地球220亿公里更加遥远的深空探索，而入地则困难得多，因为地下深部充满了坚硬的岩石，且愈往深处温度压力愈高，人类很难接近地下深部。科学钻探是人类目前获得地下深部信息最直接有效的途径。迄今为止，世界上最深的钻孔是俄罗斯的科拉超深钻，钻孔深度12262米，入地深度只有12公里。上天入地的目的之一是探索生命，距地面100公里以上的太空尚未发现生命，但是在阳光照射不到的地下深部却已发现生活在沉积物或岩石空隙中的微生物生命，并构成了一个由微生物及其环境组成的深部生物圈。 

　　一、地下深部生物圈深度下限是多少呢？ 

　　地球的半径约6400km，从内到外，分为地核、地幔和地壳，三者在大陆的平均厚度分别是5100km、2900km和33km。地核内的温度高达6000℃，地幔的温度也高达3000℃，可见地球内部是一个火球体，不可能存在生命。而地表平均温度是14℃，地壳的温度随深度的增加而增加，并以每增加1km，地温平均增加25℃的地温梯度增加，到10km，估计地温达到264℃，这个温度已超过目前发现的微生物所能忍耐的最大温度122℃。若以微生物所能忍耐的最大温度122℃计算，则微生物所能到达的深度约4km。若考虑到随深度的增加，压力也增加，水的沸点随压力而增加的话，生物学家认为微生物所能忍耐的温度上限估计是150℃，这样微生物所能到达的深度约6km。俄罗斯的科拉超深钻SG-3(12262m)是目前世界上最深的钻孔,当时打这个钻孔的目的之一是探测能打多深而没有进行微生物研究。其它的超深钻包括德国的大陆深钻项目的几个钻孔，其中最深的钻孔达9100m，井底温度265℃，已超过微生物所能耐受的最大温度，但在4000m深处检出超嗜热微生物。瑞典的一个超深钻目的是探测深部地球气体，孔深达6800m，在5278m深处富集分离出嗜热菌,该处温度是65−75℃。中国大陆科学钻探“科钻一井”孔深达5158m，通过不同深度连续取芯微生物分析，发现生物圈下限是4850m，此深度温度是137℃。温度是深部生物圈下限的主要影响因子，由于地下地质条件复杂，各地地温梯度不尽相同及其它影响因素，地下深部生物圈深度下限仍是一个未解之谜。 

　　二、栖息在地下深部的微生物数量有多少呢？ 

　　微生物是一类肉眼看不见的微小生物(<100μm)，地质微生物是栖息在各种地质环境中的微生物，主要是细菌和古菌等单细胞无核膜的原核生物，大小0.5-5μm地质微生物是一种看不见的资源，并在地球功能中发挥重要作用。定量各种地质环境中的微生物数量是评估其资源量及其在地球生态系统发挥作用的基础。 据估计，银河系的行星约1×10^11颗，而地球上的微生物数量比天上的星星还多，约（4−6）×10³⁰个微生物，其中地表水生生境包括海洋、河湖环境有12×10²⁸个；洋底10cm以下的地下环境有355×10²⁸个；地表土壤26×10²⁸个；陆地地表8m以下、4000m以上的地下深部有（25−250）×10²⁸个。由此可见，除了洋底地下微生物数量最大外，陆地地下深部微生物数量是最大的。在陆地区域，尽管地下微生物数量最大，但其含量随深度而减小。地表土壤微生物含量范围是3.91×10⁸−5.69×10⁹个微生物/g土壤，而深部裂隙水微生物含量变化在10³−10⁵个微生物/mL之间。美国康奈尔大学的Sinclair and Ghlorse（1989）采用吖啶橙荧光显微镜直接计数法获得浅层沉积含水层地下水中微生物含量约10⁷个微生物/mL，而美国普林斯顿大学的Onsttot等（2006）采用流式细胞仪检测到南非金矿附近通过钻孔采集的2−3.5km深处的裂隙水微生物含量范围是2.5×10²−5.9×10⁴个微生物/mL；芬兰技术研究中心的Itävaara等(2011)检测到芬兰结晶岩含水层从100m深的4.6×10⁵个微生物/mL到1500m深下降为6.0×10⁴个微生物/mL。 

　　三、地下深部微生物依靠何种能源和碳源生存呢？ 

　　能源和碳源是一切生物维持生命机能和活动所必需的条件。地表植物的能量来源是太阳辐射光能，绿色植物通过光合作用，将无机碳CO₂转化为植物细胞有机质，并将光能转化为化学能，储存在光合作用产物—有机质中，这种有机质作为食物链的初级生产力，可为其它生物提供能源和碳源。地表植物不能在充满固体的地下环境生长，而个体微小的微生物却能在含水的沉积物或岩石空隙中生存，这些微生物长期生长在阳光照射不到的地下深部黑暗环境，其生存的能源和碳源类型和数量随深度而变化。在浅表环境，地下水与地表水积极交换,能源和碳源可来自地表新鲜的有机质和埋藏在地层中的古老有机质。这些有机质都是光合作用产物，越往深部，这种光合作用产生的有机质越少，直至消失。而在没有光合作用产物有机质供应的地下深部，微生物的能源和碳源分别是化学能和CO₂，其中的化学能是来自微生物参与的无机物生物地球化学反应释放的能量。最常见的无机物是H₂。H₂主要有3种来源：1）水-岩相互作用产生的H₂，如超基性岩与水相互作用可产生H₂；2）水的放射性裂解产生的H₂；3）地幔岩浆活动排放的还原性气体，包括H₂。CO₂可来自矿物的溶解，如碳酸盐矿物的溶解。H₂和CO₂进一步与围岩相互作用可产生短链烃，如甲烷CH₄、乙烷C₂H₆和丙烷C₃H₈。这些短链烃和H₂、CO₂形成地下深部的非生物成因气体，又称地质成因气体，为地下深部微生物如产甲烷菌和硫酸盐还原菌提供能源和碳源。这种以地质成因气体为能源和碳源的地下深部生态系统又称地下无机自养微生物生态系统SLiMEs(subsurface lithoautotrophic microbial ecosystems)。这种生态系统主要分布在有机质极少的地下深部结晶岩分布区，或花岗岩和玄武岩等火成岩分布区。这种生态系统的存在对研究地球早期生命的起源和演化以及地外生命的探索具有重要意义。 

　　四、地下深部微生物有何特点呢？ 

　　微生物类型依据能源类型，分为光能营养型微生物和化能营养型微生物；依据碳源类型，又分为异养微生物和自养微生物；依据与氧的关系，分为好氧微生物、厌氧微生物和兼性厌氧微生物。地下地质环境复杂，不同岩性分布区，微生物类型不尽相同。在沉积盆地区域水流系统，微生物所需的能源最初可来自地表光合作用产生的有机质，有机质类型和数量沿水流方向而减少，相应地，地下水微生物类型沿水流方向而变化。在浅表补给区，好氧微生物以有机物为能源和碳源，O₂为电子受体，将有机物氧化为CO₂和H₂O，并将释放的能量转化为化学能储存在微生物体内，为微生物生长和活动提供能量。随着深度增加，O₂逐渐消耗，环境变为还原环境，电子受体依次为NO₃^-、Fe/Mn氧化物、SO₄^2-，通过反硝化作用、Fe/Mn还原作用和SO₄^2-还原作用将剩余有机物继续氧化，为反硝化菌、Fe/Mn还原菌、硫酸盐还原菌提供能源和碳源，其中的有机物除了来自地表扩散和对流运移到深部的有机物外，还可能来自含水层上下的隔水层埋藏的古老有机物。而在水流系统最深部极端缺氧环境，有机物消耗殆尽，微生物的能源和碳源变为无机物如H₂和CO₂，它们可来自隔水层中有机物的发酵产生或水岩相互作用产生，通过产甲烷作用为产甲烷菌提供能源和碳源。因此，在沉积盆地，浅部为好氧菌，深部为反硝化菌、Fe/Mn还原菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。而在花岗岩和玄武岩分布区或深部结晶岩分布区，地层中很少或没有有机物存在，这些地区也有微生物存在，其能源和碳源分别来自非生物成因的H₂和矿物溶解产生的CO₂以及少量热成因的简单有机物甲烷、乙烷和丙烷，可为氢营养的硫酸盐还原菌、产甲烷菌和甲烷厌氧氧化菌等提供能源和碳源。 

　　五、地下深部微生物采用何种方法检测呢？ 

　　早期采用培养法检测深部微生物，已从地下深部培养分离出各种嗜热、厌氧的金属还原菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌，这些菌可用于研究地下深部能量有限情况下的代谢特性和地下水污染修复。然而，由于实验室很难模拟自然环境，特别是深部极端环境，培养法只能检出部分微生物。随着科学技术的发展，免培养的分子生物学技术通过提取样品DNA检测其特异性基因片段，从基因水平识别微生物，不但能检测可培养菌，而且能检测不可培养菌，特别是16S rRNA基因或功能基因高通量测序技术能够快速、详细地揭示微生物群落特征，为地下深部微生物研究提供了有力工具。根据微生物特异性基因片段组成特征，对微生物进行系统发育分类，微生物可分为细菌、古菌、病毒和真核微生物，并可按门、纲、目、科、族、属、种对微生物群落进一步详细分类。总体来说，地下深部微生物群落组成是细菌多于古菌，但是也存在单一类型的嗜热硫酸盐还原厚壁菌，盐单胞菌,或氢营养的产甲烷古菌。最常见的细菌是变形菌门、放线菌门、拟杆菌门,尤其是厚壁菌门含量大，可达40%以上。通常，随着深度的增加，变形菌门减少，而厚壁菌门增加。地下深部古菌含量很低，通常泉古菌门分布在浅部，而广古菌门分布在深部，且在广古菌门中，产甲烷菌是主要的古菌类型。地下深部除了发现细菌和古菌外，还发现少量的病毒和真核微生物。地下深部微生物已在世界范围内多处被研究，但是地热区地下深部碳酸盐岩岩溶-裂隙热储环境中微生物群落特征仍然不清。据王贵玲等（2018）文献资料，冀中地热区地下热水资源丰富，目前主要开采1800m以上蓟县系雾迷山组上段碳酸盐岩岩溶-裂隙热储热水，而对1800m以下蓟县系雾迷山组下段和高于庄组碳酸盐岩岩溶-裂隙热储地热资源状况不清。中国地质调查局自2018年以来在冀中地热区实施了一批地热科学钻探和抽水试验，用于获取深部热储的地质、水文地质和地热基础数据，评价深部新储层地热资源。这些抽水试验为深部热水微生物研究提供了获取深部样品的机会，我们选取了部分钻孔用于深部热水微生物群落研究。我们建立了深部热水硫酸盐还原菌微滴数字PCR检测技术，利用该技术对深部热水、浅层水和土壤进行了检测，发现深部热水富含硫酸盐还原菌。采用新一代高通量测序技术，发现深部热水含有种类多样的微生物，共有38个菌门，541个菌属，以细菌为主（97.5%），古菌很少（2.5%）；深部热水细菌门水平组成主要是厚壁菌门(39%)和变形菌门(38%)，而浅层水最丰富的细菌门组成是变形菌门(64%)和拟杆菌门(13%), 厚壁菌门很少（3%）；土壤最丰富的细菌门组成主要是放线菌门(31%)、变形菌门(20%)和厚壁菌门(10%)。深部热水古菌门水平组成主要是广古菌门（93%）和泉古菌门（6%），而浅层水和土壤古菌门水平主要是奇古菌门，浅层水中奇古菌门占浅层水古菌的91%，土壤中奇古菌门占土壤古菌的99%。可见，深部热水微生物群落与上部浅层水和土壤的差异很大，经比较分析，深部热水的特征性菌群主要是厚壁菌门、硝化螺旋菌门、热袍菌门和广古菌门，优势菌属包括多种类型的硫酸盐还原菌。 

　　六、探索地下深部微生物有何意义呢？ 

　　地下深部微生物近年来越来越备受关注，是由于地下深部微生物研究具有重要的理论和实际意义。据董海良等（2009)文献报道，地下深部的极端环境与地球早期环境相类似，对现代地下生命体存在和活动方式的研究有助于揭示早期地球上生命的起源。同样地，现在火星表面也不适合生命体的存在，但是火星地下深部却有可能存在生命体，因此，对现代地下生命体活动方式的研究有助于探索地外生命。地下深部可以不依赖光合作用产物，而是存在以化学能为能量来源的无机自养生态系统，它代表地下初级生物生产力的重要来源，这种极端环境中的无机自养微生物可以用来作为研究早期地球上或现代火星和木星上的替代物。在地球地质历史发展过程中，地球曾遭受过多次生物大灭绝，当时的地表环境不适合于生物居住，但是地下深部可能是微生物的避难所，无机自养微生物可作为地球生态系统演化的初始驱动力。地下深部极端环境孕育着功能独特的微生物，这些微生物可广泛应用于环境修复、提高石油采收率、生物技术和生物能源利用。对地下深部微生物的了解也可为预防油田开采时油品下降、油田和地热井管及地下核废料储存罐的结垢腐蚀等提供防治对策。