微呼吸论文：地下温泉的能量密码：高温微生物的生存之道

在美国内华达州的大盆地地区，存在着温度高达80℃的奇特温泉——大沸泉（GBS）和桑迪西泉（SSW）。这些滚烫的水域中没有植物（光合作用在73℃以上无法进行），却隐藏着活跃的微生物王国。传统理论认为，氢气（H?） 是高温环境下微生物的首选"燃料"，因为它能高效供能且易于扩散。然而，科学家们提出了新疑问：在氧气充足的高温温泉中，微生物是否会像"自助餐厅"那样，同时利用多种能量来源？

为解开谜题，内华达大学团队创新性地将微呼吸测量技术与基因分析结合。他们发现：温泉微生物能利用硫化物、铵盐、有机酸甚至甲烷等多种物质作为能量源，且沉积物与水体的微生物群落具有显著差异。这一发现改写了高温生态系统的能量认知——在富氧温泉中，微生物的能量经济远比想象的多元，氢气并非"唯一主角"。研究对理解地球极端环境生命机制、探索地外生命生存策略具有重要意义。

研究亮点：颠覆认知的三大发现

能量"自助餐"模式
通过添加不同电子供体（图1），科学家首次直接观测到：硫代硫酸盐刺激GBS水体耗氧率提升49倍，有机酸混合物使SSW沉积物耗氧激增。令人意外的是，被寄予厚望的氢气仅在GBS沉积物中有效，而在其他样本中毫无反应。

沉积物：隐藏的能量枢纽
沉积物微生物的代谢多样性远超水体群落。例如在SSW温泉，沉积物能同时响应硫化物、铵盐、甲烷和有机酸，而水体微生物仅对铵盐有反应。这与基因测序结果吻合——沉积物中存在更复杂的菌群结构。

同一菌群，不同"食谱"
通过定量PCR技术（图2），科学家在温泉霸主Thermocrinis菌中检测到三类能量代谢基因（硫氧化soxA、氢酶hyaB、甲酸脱氢fdhA）。令人惊讶的是：水体中以硫氧化基因为主，沉积物中氢酶基因更丰富，证明同一菌群存在功能分化亚群。

关键技术：Unisense微电极如何捕捉微生物呼吸？

为了实时监测微生物的呼吸活动，团队使用了耐高温Unisense微电极系统。其操作流程如同给微生物戴上"氧气手环"：

原位采样保真实：温泉水体/沉积物样本在30分钟内完成采集，全程避免氧气干扰，并保持在80℃恒温水浴中。

精密电极校准：

电极在-0.5V电压下极化15分钟清除残余氧气

用温泉曝气水（100%饱和）和抗坏血酸钠还原水（0%饱和）进行两点校准

动态呼吸监测：

磁力搅拌防止氧气梯度形成

先测量3分钟基础耗氧率

注射器注入电子供体后，每6秒记录一次氧气浓度（持续20分钟）

严格排除干扰：

过滤灭菌水样作阴性对照

冷冻-高压灭菌沉积物作消活对照

启示与展望：改写高温生命法则

颠覆传统认知
在富氧温泉中，氢气并非主导性能源，硫化物、铵盐等物质对微生物生存同样关键。这与还原性环境（如深海热液口）的能量模式截然不同。

微环境的战略意义
沉积物作为"代谢热点"，其复杂物理结构为不同菌群提供了专属生态位，促成硫循环、氮循环、甲烷氧化的共存——尽管后者尚未发现已知高温菌（＞72℃）。

警惕基因分析的局限
研究揭示重要警示：即使某菌群携带特定代谢基因（如氢酶），也可能因环境调控而不表达相应功能。这为未来极端环境研究提供了方法学借鉴。

这项研究如同打开高温生态系统的"黑匣子"，揭示了微生物在滚烫水域中精妙的能量协作网络。它不仅重塑了我们对地球生命极限的理解，更为寻找外星生命提供了新的思维地图——生命或许正以意想不到的方式，在炽热星球上悄然呼吸。

丹麦Unisense微电极可穿刺水体、生物膜、颗粒污泥、植物根茎叶、土壤、液体-固体扩散边界层，研究微区、微生态的研究系统。微电极尖端仅有几微米，能刺入样品中、测量微环境、不破坏被测对象的结构和生理活性、在极短的时间内达到平衡、对流动不敏感等特点。可穿刺到对象内部检测不同深度(ppb级)的O2、H2、H2S、NO、N2O、Redox、pH、温度等指标变化。