毕格罗实验室高级研究科学家戴维·埃默森从缅因州海岸的埃奇科姆涡流中收集样本。鸣谢:Fritz Freudenberger，毕格罗海洋科学实验室

毕格罗实验室的科学家们提出了一种令人兴奋的方法，将单个微生物的活动与其独特的遗传密码联系起来，首次将这种方法应用于沉积物。他们的发现最近发表在《ISME日报》上。

该方法结合了单细胞基因组学流式细胞术量化不同分类群的个体呼吸速率。它揭示了来自缅因州海岸的低氧沉积物拥有多样化的微生物群落，它们似乎在经常受到快速温度变化、潮汐等干扰的环境中茁壮成长。

“海洋沉积物是活跃的化学循环的重要生态系统，地球上发现的一些最具微生物多样性的社区生活在那里，”领导这项研究的毕格罗实验室的研究科学家梅洛迪·林赛说。“这是一个推进我们照明方法的自然而迷人的地方微生物活性使用单细胞呼吸率。"

这篇论文介绍了来自毕格罗实验室单细胞基因组学中心和水生细胞计量中心的研究人员，以及几位协助实地取样和实验室实验的本科生实习生。

浅海沉积物有助于控制能量和养分从陆地流向海洋。因为氧气只渗透到地表以下几毫米，所以生活在这种环境中的微生物倾向于依靠化学过程而不是呼吸氧气来生存。然而，像沉积和穴居动物这样的干扰会定期将氧气和有机物引入地下环境。该团队旨在了解这种混合和物理破坏的影响。

“我们知道海洋沉积物中微生物的丰富性和多样性要比水柱但我们对它们的实际功能和活动知之甚少，”高级研究科学家戴维·埃默森说，他是论文的合著者这种方法提供了一种强有力的方式来揭示关于海洋环境的一个广阔的、研究得很少的部分的新知识。"

尽管科学家传统上测量化学物质周转的速率和整个微生物群落的其他过程，但这一更大的努力正在彻底改变对个体水平上的活动的理解——以及这种活动如何与基因组潜力相联系。

这项革命性的新方法是由毕格罗实验室利用美国国家科学基金会600万美元的资助开发的。2022年，研究人员首次将该方法应用于表层海洋，展示了一小部分微生物是如何消耗大部分氧气的。去年，他们用从一个死亡谷下面的地下蓄水层说明了该方法在氧气有限的低生物量环境中的适用性。

在目前的研究中，研究小组再次使用流式细胞仪，用一种叫做氧化传感器绿的化学物质对细胞进行染色。染色细胞在激光下发光的强度与这些细胞呼吸的速率相关。然后对每个细胞的DNA进行测序，以了解其活动率和其编程功能之间的关系。这种组合技术使研究人员能够获得微生物生物多样性的快照，并确定哪些物种最丰富和活跃。

来自奥柏林学院的本科生实习生伊莱扎·古德尔(Eliza Goodell)从埃奇科姆艾迪取出一个沉积物岩芯。鸣谢:梅洛迪·林赛，毕格罗海洋科学实验室

“单细胞基因组学中心是世界上第一个能够以生物学的最终分辨率对微生物基因组和活动进行大规模研究的设施:单个细胞，”该中心主任兼该研究的合著者Ramunas Stepanauaskas说。“令人兴奋的是，这项独特的技术使我们能够揭示这些重要的生态过程，以及在一个如此丰富但尚未探索的环境中真正令人惊叹的生物多样性。”

为了测试微生物适应干扰的能力，这是该项目的一个新方面，研究小组添加了不同量的氧气和海带多糖，海带多糖是一种丰富的碳水化合物，由缅因州海岸常见的褐藻和一些浮游植物产生。

“通过以一种与现实世界相关的方式干扰系统，我们可以确定，比如说，一只埋在沉积物中的蠕虫带来氧气或海草在泥滩底部降解的影响，”林赛说。

研究结果表明，硫酸盐还原菌绿非硫细菌是沉积物中最活跃的细胞，尽管不是最丰富的。研究人员还发现，即使加入少量的氧气和海带多糖也能刺激呼吸。绿非硫细菌细胞在代谢上是多样的，能够利用氧气和其他化学过程。林赛认为，这种“基因灵活性”可以解释为什么它们占主导地位。

“我们带着这样的假设走进去氧会毒害一切，但事实证明细胞善于承受它，甚至利用它，”林赛说。这表明，生活在这种反复无常的环境中的微生物群落比最初想象的更有弹性。"

这些发现强调了生活在其中的微生物的惊人范围极端环境—以及逐个细胞方法询问多样性的价值。

为此，该小组目前正在努力扩大他们对缅因州海岸沉积物的了解。利用来自毕格罗实验室的“kickstarter”资金，他们已经开始使用相同的实验设计检查来自相同研究地点的更深层样本，以观察微生物群落如何随深度变化。

与此同时，他们正在继续为日益极端的环境改进方法，将它应用于通过国际海洋发现计划在大西洋中脊以下一公里多的地方收集的沉积物，这种环境拥有数量级更少的细胞。

“这种单细胞方法的优势是，我们可以针对低生物量环境，在这种环境中，细胞非常少，否则不可能进行测量，”林赛说。“我的梦想是在类似美国国家航空航天局的欧罗巴着陆器的任务中获得一台流式细胞仪，这样我们就可以使用这项技术来检测其他世界可能的代谢活动。”