温泉微生物群落结构与功能研究对地热资源开发至关重要。基于宏基因组测序，分析了江西修水白岭、宁都蓝田等5 处中低温温泉的微生物多样性与功能特征。结果表明，温度是塑造微生物群落的关键因子。细菌群落中，优势菌属随温度升高从低温菌（Pseudomonas，Novosphingobium）向中温菌（Tepidimonas） 及嗜热菌（Thermus，Hydrogenobacter）演替，细菌多样性（Shannon 指数）显著降低；古菌群落中，低温样（<40 ℃）以氨氧化古菌（Nitrososphaerales, Nitrosopumilales）为主，中温样和高温样（60~70 ℃ 和<70 ℃） 则以极端嗜热类群（Pyrobaculum）占优，古菌多样性（丰富度与均匀度）亦随温度上升而下降。微生物功能基因分析指示介导反硝化过程的功能基因在低温样温泉中丰度较高，中温样固碳作用更显著。微生物群落结构与功能基因特征的变化与温泉水化学参数变化一致，揭示了江西中低温温泉微生物多样性与功能对温度的响应及其与碳、氮元素地球化学循环的紧密关联，为挖掘温泉微生物资源及地热指示微生物提供了数据支撑和依据。相关成果发表于矿冶期刊群《有色金属（冶炼部分）》2025年第12期，题目：江西中低温温泉微生物多样性与功能特征研究，作者：蔡森火，孙占学，刘亚洁，陈功新，叶海龙，施兴华，何挺。

温泉是水温显著高于当地年平均气温的地下涌出泉水，富含独特的微生物资源。依据热储温度， 温泉可分为高温（>150 ℃）、中温（90~150 ℃）和低温（<90 ℃）三种类型；本研究聚焦的低温温泉，是探索微生物对环境适应性及其生态功能的天然实验室。温泉环境在某种程度上模拟了地球早期的极端条件，其中蕴藏的微生物不仅对高温、高矿化度等胁迫具有特殊的适应机制，更在碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环中扮演着关键角色，是具有巨大开发潜力的微生物资源宝库。全球范围内，如美国、印度、土耳其等地均已发现大量嗜热微生物类群。我国在云南、四川、广东等地的温泉微生物研究亦取得了丰硕成果，分离鉴定了诸多耐热菌株。在应用方面，源自温泉的极端嗜热古菌已成为湿法冶金， 特别是处理低品位硫化矿的关键微生物，展现出重要的工业应用前景。

本研究选取江西省修水白岭与宁都蓝田两个地区的5 个温泉作为研究对象。选取这些温泉的依据在于其具有良好的代表性：首先，它们的温度（36~83 ℃）完整覆盖了中低温温泉的关键区间，为研究温度梯度对微生物群落的塑造作用提供了理想样本；其次，它们分属不同的水化学类型（修水温泉为HCO₃-Na 型，宁都温泉为弱碱性SO₄-HCO₃-Na 型且硫化氢含量较高），代表了不同的地球化学环境；再者，两地区地质背景迥异（修水位于鄱阳湖盆地西缘花岗岩与第四纪沉积层交汇处，宁都则位于燕山期花岗岩体之上），有助于揭示地质成因对微生物群落的影响。

以往对这两处温泉的研究主要集中于水化学成因与热储特征，而对其微生物多样性及功能特征尚缺乏系统探究。因此，本文基于宏基因组测序技术，旨在阐明这5 个代表性温泉中的微生物群落结构、多样性及其代谢功能特征。研究成果有望填补江西省温泉微生物生态学研究的空白，并为后续开发和利用该地区温泉微生物资源提供理论依据和数据支撑。

2024 年10 月在江西省修水县白岭地区选取3 个温泉（L36、M62、H80），在宁都县蓝田地区选取2 个温泉（N75、N83），共计5 个温泉点采集水样。采样点分布见图1。

在温泉出水口使用环境温度计（精度±0.2 ℃） 现场测定水温（T），采用便携式哈希多参数测量仪（HQ40D，美国HACH）同步测定溶解氧（DO）、pH、氧化还原电位（E_h）及总溶解固体（TDS）。

每个温泉点采集水样30~60 L 用于宏基因组分析。取样前使用温泉水样润洗所有取样容器3 次，包括（3~6）个10 L 聚乙烯桶（用于宏基因组采集）及2 个1 L 棕色玻璃瓶的取样瓶（用于理化性质分析）。水样装满后密封，迅速运回实验室。样品经0.22 μm水系微孔滤膜过滤，滤膜置于20 mL无菌离心管中， 于–20 ℃ 冷冻保存。

将冻存滤膜冷链送至上海美吉生物医药科技有限公司进行DNA提取与宏基因组测序。使用MagAttractPowerSoil Pro DNA Kit（Qiagen，德国）提环境DNA，经琼脂糖凝胶电泳检测完整性后，使用Covaris M220 进行DNA片段化，选取350 bp 片段构建PE文库，基于Illumina NovaSeq X Plus 平台进行测序。

原始数据经Fastp (v0.23.0) 进行质控，使用MEGAHIT (v1.1.2) 进行序列组装，筛选长度>100 bp 的contigs 作为后续分析对象。通过Prodigal (v2.6.3) 进行基因预测，采用CD-HIT (v4.6.1) 对基因进行聚类以去冗余，生成非冗余基因集。使用SOAPaligner (v2.21) 将clean reads 比对至基因集，计算基因在各样本中的丰度。

使用R 4.3.3 软件中vegan 包计算α 多样性指数（ACE、Chao1、Shannon、Simpson）。基于Jaccard 距离进行β 多样性分析，并使用Bray-Curtis 距离进行主坐标分析（PCoA）。在门和属水平（相对丰度>1%）绘制群落组成柱状图。将非冗余基因集与KEGG数据库进行比对，筛选与碳、氮、硫循环相关的功能基因， 利用Origin 2018 绘制功能基因丰度图。

目标温泉现场测量的水温T、pH、溶解氧DO、TDS 参数如表1 所示，温度为36~83 ℃（按热储温度均属低温温泉），pH 为7.56~8.83，DO 为2.69~6.39 mg/L，TDS 为89~552 mg/L。

根据所测得的温度数据，结合微生物生长的温度范围，将5 个温泉分为3 个不同温度水平，即低温样（<40 ℃，样品号为L36），中温样（40~70 ℃，样品号为M62）和高温样（>70 ℃，样品号为H80、N83 和N75）。

宏基因测序预测基因结果（表2）显示，低温样温泉L36样本预测的开放阅读框（ORFs）数量最多（431 692）， 高温样样本H80（256 634）和N83（323 063）次之，中温样M62（132 600）和高温样N75（52 412）的ORFs 数量相对较少。ORFs 的平均长度在504.65 bp(L36) 至733.16 bp(N75) 之间。

宏基因组测序结果经质控优化后，5 个温泉共获得88 695 842 条序列，抽平后与NR数据库比对， 共检出生物域2 个，分别为细菌域和古菌域。在细菌域中，检测出门有161 个、纲257 个、目436 个、科912 个、属3 858 个，种25 827 个；在古菌域水平， 5 个温泉样本共检测出门33 个、纲58 个、目102 个、科147 个、属283 个，种939 个。

对5 个温泉样品的细菌和古菌群落进行了α 多样性分析，结果如表3、表4 所示。

1）细菌α- 多样性

各分组细菌多样性的覆盖度（Coverage）指数均为1，表明测序深度足够。群落丰富度指数（sobs、ace、chao）随温度升高呈现明显下降趋势：L36（低温样）最高，M62（中温样）次之，高温样（H80、N83、N75）最低（表3）。群落多样性指数（Shannon）在M62 （中温样）最高，表明该温度点物种分布最均匀且多样性极高，低温样L36 次之；而高温样的Shannon 指数最低，Simpson 指数最高，表明其物种分布不均匀且多样性最低（表3）。

2）古菌α- 多样性

古菌群落丰富度指数（sobs、ace、chao）同样随温度升高而显著降低，L36 最高，M62 次之，高温样最低（表4）。Shannon 指数在M62 最高，L36 次之，高温样相对较低（表4），这表明M62（中温样）的古菌群落均匀性最佳。总体而言，古菌群落的多样性随温度增加而下降。

主成分分析PCoA（Principal Coordinate Analysis） 是一种重要的β 多样性分析方法，用于评估样本间群落结构的异同。基于Bray-Curtis 距离的β 多样性分析（PCoA 和层级聚类）可揭示温度梯度对微生物群落结构的显著影响。

1）PCoA 分析结果

细菌在门和属水平上，PC1轴分别解释了71.35% 和63.67% 的变异（图2(a)、2(b)）。低温样（L36）与中温样（M62）样本在PCoA 图上距离较近，表明其群落结构具有一定相似性。随着温度升高，中温样（M62）和高温样（H80、N75、N83）样本明显分离，群落结构差异增大。高温样内部样本也存在一定离散 （图2(a)、2(b)）。

古菌在门水平上（图2(c)），不同温度组（L36- 低温样、M62- 中温样和高温样）样本呈明显离散分布，表明门水平群落结构随温度升高差异显著。在属水平上（图2(d)），高温样样本紧密聚集，并与中温样（M62） 和低温样（L36）显著分离，且M62与L36 也相距较远， 表明温度升高导致古菌群落发生显著分化。

2）层级聚类分析

属水平的层级聚类结果（图3）进一步证实了温度的分组效应。高温样样本（H80、N83、N75）紧密聚集， 表明其群落结构高度相似。低温样（L36）和中温样（M62） 各自形成独立分支，且均与高温样距离较远，清晰反映了温度升高驱动微生物群落组成发生显著转变。

1）细菌门水平群落组成

低温样（L36）和中温样（M62）温泉的优势菌门均为假单胞菌门Pseudomonadota 和拟杆菌门Bacteroidota， 但相对丰度不同，如L36：Pseudomonadota 84.3%， Bacteroidota 4.6%；M62：Pseudomonadota 72.8%， Bacteroidota 19.8%。高温样H80 的优势菌门为热球菌门（Deinococcota），相对丰度为54.0%；高温样N75 和N83 的优势菌门则为产水菌门（Aquificota），相对丰度分别为37.6% 和59.5%。在高温样（H80、N75、N80）中同样检测到了假单胞菌门（Pseudomonadota）， 但是与低温样和中温样相比，所占的相对丰度显著降低（0.9%~9.1%）。此外，高温样N83 中还检测到较高丰度的蓝细菌门（Cyanobacteriota，11.1%）。高温样H80 和N75 检测到了绿弯菌门（Chloroflexota）， 相对丰度分别为0.7% 和5.84%。除了检测到正式描述的门类，在N83 中同样检测到候选门Candidatus_ Bipolaricaulota（5.4%）以及在N83 和N75 中检测到候选门Candidatus_Kapabacteria（相对丰度分别为2.8% 和1.4%），这些类群在低温样（L36）丰度极低（<1%），这些候选门类在温泉生态系统中可能扮演着重要但尚未知的角色。

2）古菌门水平群落组成

各个温泉样的主要菌门为亚硝化球菌门（Nitrososphaerota）、广古菌门（Euryarchaeota）和热变形菌门（Thermoproteota）。Nitrososphaerota 的相对丰度随温度升高而显著降低（低温样67.7%；中温样27.1%；高温样7.1%~45.7%）。Euryarchaeota 在M62 （中高温样）丰度最高（67.65%），在L36（低温样）（21%） 和高温样（17.2%~28.3%）次之。Thermoproteota 则在高温样成为优势菌门（21%~43%），而在中温样（3%）和低温样（<1%）丰度极低。候选门Candidatus_ Woesearchaeota（DPANN）在各组中均有检出，低温样相对丰度最高，所占相对丰度为18.6%，中温样次之，相对丰度为9.5%，高温样最低，相对丰度<5%。

可见，不同温度温泉在细菌和古菌门水平上的优势类群存在显著差异（图4、图5）

1）细菌属水平群落组成

低温样（L36）的优势菌属为Tepidimonas（31.4%）、Novosphingobium（10.2%）、Aquabacterium（6.84%）、Pseudomonas（5.55%）、Vogesella（5.91%）等菌属。中温样（M62）和低温样（L36）共同显著富集了Tepidimonas （相对丰度分别为51.1% 和31.4%）。上述在低/ 中温样富集的菌属在高温样丰度极低（<2.5%）。高温样（H80、N75、N80）的优势菌属为栖热菌属（Thermus， 相对丰度分别为54.7%、12.7%、10.4%）和嗜氢杆菌属（Hydrogenobacter，主要分布在N75 和N83 中，相对丰度分别为29.7% 和53%）。Thermoflexus 在高温样N75 中有较高丰度，相对丰度为2.9%，在低温样含量极低（<0.1%）。此外，在N83 中检测到蓝细菌属Synechococcus（相对丰度为6.9%、该菌属为Cyanobacteriota 门）。

2）古菌属水平群落组成

各个温泉样中存在大量未分类古菌，提示可能存在新物种。低温样（L36）的优势属为Nitrososphaera（14.74%） 和Candidatus_Nitrosotenuis（24.34%）。Nitrososphaera 的丰度随温度升高而降低（中温样为2.34%，高温样极低（<1%））。热棒球菌属（Pyrobaculum）在高温样的占绝对优势（且主要分布在N75 和N83 中，相对丰度分别为30.3% 和15.2%），在低温样的相对丰度极低。Candidatus_Caldarchaeum 同样在高温样中占绝对优势，且主要分布在H80 和M83 中，相对丰度分别为17.4%、12.4%，在中温样占1.1%，在低温样含量极低（<1%）。

上述属水平群落组成进一步印证了温度对微生物群落的筛选作用（图6、图7）。

基于宏基因组数据，分析了不同温度温泉（L36、M62、H80/N83/N75）微生物参与碳、氮、硫循环的功能基因丰度差异（图8），揭示了温度对微生物代谢活动的重要调节作用。

检测到多种碳循环途径包括还原性柠檬酸途径（Reductive citrate cycle，rTCA）、还原性乙酰辅酶A 途径（Reductive acetyl-Co A pathway，rAcCoA）、三羟基丙酸双循环、卡尔文循环（Calvin cycle、CBB）和产甲烷途径（甲基产甲烷途径、氢营养型产甲烷途径、乙酸发酵型产甲烷途径等）。

在固碳作用方面，rTCA 途径丰度最高，且高温样的整体固碳功能基因丰度高于低温样。rAcCoA 途径丰度在各样本中较低，但其基因丰度随温度升高而增加。卡尔文循环同样在高温样功能基因丰度最高。在产甲烷作用中，三种产甲烷途径共存，以乙酸产甲烷途径相对丰度最高。甲基产甲烷和氢营养型产甲烷途径的基因模块丰度在高温样显著高于中温样和低温样。

甲烷氧化作用中，主要以好氧甲烷氧化途径为主，其功能基因丰度在中温样（M62）和低温样（L36）较高，表明富集的好氧甲烷氧化菌（如Methylocaldum）与其在中温样和低温样中的活性较高有关。检测到的厌氧甲烷氧化相关功能基因丰度较低，且主要分布在高温样。

在各个温泉样中检测到氮循环途径有反硝化作用，包括异化硝酸盐还原作用（Dissimilatory nitrate reduction，DNRA）、同化硝酸盐还原作用（Assimilation nitrate reduction，ANRA）和固氮作用。反硝化作用的关键功能基因（如narG）丰度在低温样（L36）最高，表明该组以反硝化作用为主导，且该途径随着温度的升高其关键功能基因丰度在逐渐降低。其次，硝化作用相关功能基因丰度较低，且主要集中在高温样。固氮作用整体较弱，检测到的有关功能基因丰度极低，推测高温环境下高能耗的固氮酶途径竞争力不足，能量可能更倾向于分配给硝化等高效途径。

功能基因结果显示检测到硫代硫酸盐氧化作用（Thiosulfate oxidation，TSO）关键功能基因相对丰度普遍较高。同化硫酸盐还原作用（Assimilation sulfate reduction，ASR）在低温样的关键功能基因丰度较高，在高温样相对丰度较低。异化硫酸盐还原作用（Dissimilatory sulfate reduction，DSR）整体偏弱，且主要集中在高温样。此外，亚硫酸盐氧化作用主要集中在高温样中，在低温样中的关键功能基因模块丰度极低。硫化物氧化功能基因模块丰度在高温样显著高于低温样（L36），硫代硫酸盐歧化反应模块丰度在高温样相对低于低温样（L36），暗示高温可能抑制了相关微生物的反应速率。

通过宏基因组学手段，系统获得了修水白岭与宁都蓝田温泉微生物群落及其功能对温度梯度（低温样-L36、中温样-M62、高温样-H80/N83/N75）的响应规律。温度作为关键环境筛选因子，深刻塑造了温泉生态系统的微生物多样性与代谢网络。

研究结果中发现，修水白岭与宁都蓝田的5 个温泉展现出异常丰富的细菌多样性（注释到161 个细菌门），显著高于海南海口、河南鲁山、江西宜春等地的报道。这种高多样性特征可能与研究区温泉独特的水化学条件（如特定的pH、离子组成）有关，同时本研究采用的宏基因测序也有助于更全面地揭示微生物类群，凸显了中低温温泉作为微生物资源库的巨大潜力。

α 与β 多样性分析一致表明，温度是驱动微生物（细菌与古菌）多样性变化的核心因子。随着温度升高，群落丰富度（sobs、ace、chao）与多样性（Shannon） 均呈现显著下降趋势（表3 和表4），这与云南、西藏等地热系统的普遍规律相符。β多样性结果（PCoA， 层级聚类分析）进一步证实温度梯度导致群落结构发生显著分异：低温样与中温样细菌群落具有一定相似性，可能源于部分广温性类群（如假单胞菌门）的功能冗余；而高温样细菌及所有温度组的古菌群落则表现出强烈的温度特异性聚集（图2 和图3）。值得注意的是，古菌在属水平的分化尤为显著（图2(d)），说明其对温度变化可能具有更高的敏感性。

门、属水平的群落组成分析清晰刻画了温度梯度下微生物类群的演替轨迹（图4~7）。

细菌优势类群呈现了明确的嗜温性转换。低温样和中温样（L36、M62）以假单胞菌门（Pseudomonadota） 和拟杆菌门（Bacteroidota）为主导，并富集了如Novosphingobium（存在中温样）、Tepidimonas（存在低温样/ 中温样）、Aquabacterium、Pseudomonas， Vogesella（存在低温样）等属。这些类群通常适应热泉的中低温环境。高温样则发生显著更替，热球菌门（Deinococcota）和产水菌门（Aquificota）成为绝对优势门，并伴随栖热菌属（Thermus）、嗜氢杆菌属（Hydrogenobacter）、Thermoflexus 等典型嗜热菌属的富集。Hydrogenobacter 在宁都蓝田温泉（N75、N83）的极高丰度尤为突出（图6），其利用H₂ 进行化能自养固碳的特性可能适应了高温寡营养环境。需要注意的是，高温样中检测到的蓝细菌门（Cyanobacteriota）及Synechococcus 属（图4 和图6）， 提示光能自养过程在特定温泉（如N83）中也可能发挥作用。

古菌优势门丰度受温度调控显著。亚硝化球菌门（Nitrososphaerota）丰度随温度升高而急剧下降，其标志性属Nitrososphaera 主要富集于低温样（L36），这与该菌群偏好中低温（20~40 ℃）的特性一致。其在高热环境中的稀缺可能与高温抑制氨单加氧酶（AMO）活性有关。相反，热变形菌门（Thermoproteota）成为高温样的优势古菌门，其代表属热棒球菌属（Pyrobaculum）在宁都蓝田温泉（N75、N83）绝对富集（图5 和图7），充分体现了其超嗜热（最适80~100 ℃）的特性。广古菌门（Euryarchaeota） 在M62（中温样）占据主导（67.7%），其丰度变化可能与溶解氧及温度共同作用下的产甲烷等代谢活动相关。

综上，江西温泉微生物群落结构清晰地响应了温度梯度，优势类群从嗜中低温菌向嗜热菌有序演替， 印证了温度对微生物生存与竞争的强大筛选压力。

功能基因分析（图8）揭示了温度对温泉微生物核心元素循环（碳、氮、硫）代谢途径的深刻影响。

高温样展现出更强的整体固碳潜力，特别是还原性柠檬酸循环（rTCA）途径基因丰度最高且在高温样占优。这与嗜氢杆菌属（Hydrogenobacter）等高温富集类群利用H₂ 高效固定CO₂ 的能力相契合。还原性乙酰辅酶A（rAcCoA）途径丰度虽低，但其基因丰度随温度升高而增加，可能在寡营养高温环境中具有特殊意义。产甲烷作用以乙酸途径为主导， 其丰度在不同温度组间差异不显著，可能源于乙酸作为核心中间产物在温泉厌氧降解中的稳定性。然而，甲基产甲烷和氢营养型产甲烷途径基因在高温样显著富集。好氧甲烷氧化功能则集中在低温样及中温样（L36、M62），与较低温度下好氧甲烷氧化菌（如Methylocaldum）的活性维持一致。

反硝化作用关键基因（如narG）在低温样（L36） 丰度最高，与该组富集假单胞菌属（Pseudomonas）等反硝化菌及潜在的较低硝酸盐可利用性相关。反硝化菌可能在低温下通过增强基因表达（如narG）维持酶活性以应对代谢速率下降。相反，硝化作用相关基因在高温样丰度显著升高。尽管参与硝化的氨氧化古菌（如Nitrososphaerales）在低温样富集，但其酶活性（AMO）可能受低温抑制，而高温则激活了相关功能基因的表达，导致高温硝化功能增强。固氮作用整体较弱，暗示在高温环境下，高能耗的固氮酶途径可能竞争不过硝化等更高效的氮转化途径。

硫化物氧化功能基因在高温样显著富集，可能与这类温度温泉中嗜热硫氧化菌（如Sulfurimonas）的高丰度及潜在较高的硫酸盐浓度有关，反映了高温环境更倾向于硫的氧化代谢。硫代硫酸盐歧化功能则在低温样（L36）相对较高，暗示高温可能抑制了执行该途径微生物的反应速率。

这些功能分异规律表明，温度不仅筛选物种组成，更通过影响酶活性、底物可利用性和微生物能量分配策略，深刻重塑了温泉生态系统的代谢网络结构与元素循环通量。

本研究基于宏基因组学技术，系统解析了修水白岭与宁都蓝田温泉微生物群落沿温度梯度（36~83 ℃）的多样性、组成结构及功能特征，主要结论如下。

1）温度梯度是驱动微生物多样性与群落结构演替的核心力量。细菌与古菌的α 多样性（丰富度与多样性）均随温度升高显著降低；β 多样性分析揭示群落结构发生显著温度依赖性分异；江西温泉（尤其是低温型）展现出异常丰富的细菌多样性（161 门），凸显其作为微生物资源库的独特价值。

2）微生物群落组成中，细菌和古菌优势类群随温度升高从中低温富集的嗜中温型菌属，向高温富集的嗜高温菌属演替。表明，细菌和古菌优势类群响应温度变化而呈现有序的演替。

3）温度通过调控功能基因丰度重塑元素循环格局，在碳循环、氮循环和硫循环中表现出显著分异。

总之，江西中低温温泉蕴含独特微生物资源与功能潜力。本研究为挖掘具有应用价值的微生物资源（如环境修复、生物催化）及功能基因提供了重要基础。