Modern arsenotrophic microbial mats provide an analogue for life in the anoxic Archean  

現(xiàn)代砷營養(yǎng)微生物墊為缺氧太古代生命提供類似物  

來源：Nature Communications Earth & Environment, (2020) 1:24

《自然·通訊-地球與環(huán)境》（2020年）第1卷第24期

 

摘要內(nèi)容

 

該研究描述了智利阿塔卡馬鹽沼拉布拉瓦湖（Laguna La Brava）的永久缺氧、高砷高硫環(huán)境中的微生物墊。這些微生物墊在無氧條件下通過砷（As）和硫（S）循環(huán)進行代謝活動，并具有碳酸鹽礦化能力。其環(huán)境特征（高紫外線輻射、極端溫度波動、堿性火山源水體）與太古代（Archean）相似，因此被提出作為早期地球缺氧環(huán)境下微生物活動的現(xiàn)代類似物。研究通過地球化學(xué)分析、微電極剖面測量、代謝實驗和基因組學(xué)證實了完整的砷循環(huán)（As(III)光養(yǎng)氧化和As(V)還原），并揭示了其與硫循環(huán)的耦合機制。  

 

研究目的

 

1. 驗證永久缺氧、高砷環(huán)境中的微生物墊能否作為太古代生命活動的現(xiàn)代類似物。  

2. 闡明微生物墊中砷和硫的生物地球化學(xué)循環(huán)機制及其對碳酸鹽沉淀的促進作用。  

3. 通過多學(xué)科方法（地球化學(xué)、代謝實驗、分子生物學(xué)）解析微生物墊的代謝功能群與古環(huán)境的關(guān)聯(lián)性。  

 

研究思路

 

1. 站點特征分析：  

   ? 選擇智利拉布拉瓦湖的缺氧通道微生物墊（常年無氧、高砷[0.18–0.25 mM]、高硫化物[60–104 μM]）。  

 

   ? 量化環(huán)境參數(shù)（pH 7.9–8.4、鹽度60–71 ppt、季節(jié)性溫度-3.2–31.4°C、高UV輻射）。  

 

2. 微生物組成與代謝驗證：  

   ? 顯微觀察和色素分析確認(rèn)主導(dǎo)微生物為紫色硫細菌（如Ectothiorhodospira），缺乏葉綠素a，依賴無氧光合作用。  

 

   ? 微電極剖面（O?、S2?、pH）證實水體及沉積物永久缺氧，白天亞表層（1.25–1.75 mm）出現(xiàn)硫化物消耗峰（光養(yǎng)氧化證據(jù)）。  

 

3. 砷/硫循環(huán)實驗：  

   ?  slurry實驗顯示：光照下As(III)氧化速率（58 μM h?1 mg?1 BChl a）比黑暗高10倍；添加有機碳（乙酸/乳酸）驅(qū)動As(V)還原。  

 

   ? 同步輻射（μXRF/μXANES）顯示墊表層同時存在As(III)和As(V)，證實砷氧化還原共存。  

 

4. 基因組與古環(huán)境對比：  

   ? 宏基因組檢出砷代謝基因（aioA、arxA、arrA），關(guān)聯(lián)γ-變形菌（如Ectothiorhodospira）。  

 

   ? 與太古代Tumbiana組疊層石（2.72 Ga）類比：兩者均具高砷、缺氧、碳酸鹽沉淀特征，支持砷循環(huán)在早期地球的潛在重要性。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 地球化學(xué)參數(shù)：  

   ? 數(shù)據(jù)：水體溫/鹽度/pH/砷硫濃度、孔隙水As（45–218 μM）。  

 

   ? 意義：確立極端環(huán)境基線，證實與太古代水文特征（火山輸入、高堿度）的相似性。  

 

2. 顯微與色素數(shù)據(jù)（圖1e, 圖2b）：  

   ? 數(shù)據(jù)：顯微圖像顯示Ectothiorhodospira-like細菌；色素分析僅檢出細菌葉綠素a（BChl a），無葉綠素a。  

 

   ? 意義：排除產(chǎn)氧光合作用，支持無氧光養(yǎng)代謝主導(dǎo)。  

 

 

3. 微電極剖面（圖2c）：  

   ? 數(shù)據(jù)：O?濃度（永久缺氧）、S2?（白天亞表層消耗）、pH（白天峰值9.1，夜間7.1）。  

 

   ? 意義：揭示光暗驅(qū)動的硫化物動態(tài)和堿化過程，為碳酸鹽沉淀提供條件。  

 

4. 砷/硫代謝速率（圖3a-e）：  

   ? 數(shù)據(jù)：光照下As(III)氧化速率58 μM h?1 mg?1 BChl a；有機碳驅(qū)動As(V)還原速率與硫酸鹽還原相當(dāng)。  

 

   ? 意義：證實砷循環(huán)與硫循環(huán)的耦合，且砷還原比硫酸鹽還原更促進堿度上升（推動碳酸鹽沉淀）。  

 

5. 同步輻射元素分布（圖2a）：  

   ? 數(shù)據(jù)：μXRF/μXANES顯示墊表層As(III)與As(V)共存。  

 

   ? 意義：直接可視化砷氧化還原梯度，支持原位砷循環(huán)活性。  

 

6. 宏基因組數(shù)據(jù)（正文）：  

   ? 數(shù)據(jù)：檢出砷代謝基因（aioA、arxA、arrA），關(guān)聯(lián)硫氧化/還原菌群。  

 

   ? 意義：從基因水平驗證砷光養(yǎng)（arx）與異化還原（arr）途徑的存在，闡明代謝多樣性。  

 

結(jié)論

 

1. 現(xiàn)代類似物有效性：拉布拉瓦湖微生物墊是首個報道的完全缺氧、砷硫雙循環(huán)驅(qū)動的光養(yǎng)系統(tǒng)，其環(huán)境特征（高UV、溫度波動、堿性火山水體）逼真模擬太古代條件。  

2. 代謝創(chuàng)新：砷光養(yǎng)（As(III)→As(V)）與異化砷還原（As(V)→As(III)）構(gòu)成完整循環(huán)，與硫循環(huán)協(xié)同支撐微生物墊初級生產(chǎn)力。  

3. 碳酸鹽沉淀機制：砷還原過程產(chǎn)生高堿度（ΔOH?/e? = -7至-10），顯著促進碳酸鹽礦化，為太古代疊層石成因提供新解釋。  

4. 古環(huán)境啟示：太古代湖泊可能依賴砷而非鐵或硫作為主要電子供體，解決早期地球氧化劑匱乏下的代謝瓶頸問題。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義

 

測量指標(biāo)：沉積物-水界面的溶解氧（O?）、硫化物（S2?）、pH剖面（分辨率毫米級）  

設(shè)備型號：Unisense針式玻璃電極（O?、S2?）與pH微電極，PA-2000皮安計記錄  

研究意義：  

1. 驗證永久缺氧環(huán)境：O?剖面（圖2c）顯示水體及墊層全程無氧（[O?] < 檢測限），排除氧氣干擾，為"太古代類似"提供核心證據(jù)。  

2. 揭示光養(yǎng)代謝動態(tài)：S2?剖面顯示白天亞表層（1.25–1.75 mm）消耗谷（最低60 μM），直接反映紫色硫細菌的光合硫氧化活性；夜間S2?向上擴散，證實化能營養(yǎng)補充。  

3. 量化代謝驅(qū)動堿化：pH剖面記錄白天亞表層峰值9.1（vs. 夜間7.1），與光養(yǎng)消耗H?（如2HS? + CO? → CH?O + 2S? + H?）耦合，解釋碳酸鹽沉淀的微環(huán)境成因。  

4. 支撐古環(huán)境對比：該數(shù)據(jù)重現(xiàn)了太古代湖泊預(yù)期的缺氧-硫循環(huán)特征，為疊層石化石中缺乏氧化鐵礦物但富砷硫的現(xiàn)象提供機理解釋。