In situ Dynamics of O2, pH, Light, and Photosynthesis in Ikaite Tufa Columns (Ikka Fjord, Greenland)-A Unique Microbial Habitat

Ikaite凝灰巖柱(格陵蘭島)中O2、pH、光照和光合作用的原位動態研究-一個獨特的微生物棲息地

來源：Front. Microbiol. 7:722.

 

論文總結

一、論文摘要

本論文聚焦于格陵蘭Ikka Fjord中由獨特礦物ikaite（六水合碳酸鈣）構成的海底tufa柱，這是一個全球罕見的微生物棲息地。ikaite柱形成于堿性泉水與冷海水混合處，此前研究多關注其異養微生物多樣性，但對其微生物活性和微環境條件知之甚少。本研究首次通過原位微傳感器技術和分子生物學方法，詳細刻畫了ikaite柱內部（特別是新沉積的頂端區域）的物理化學微環境（O?、pH、光、溫度）以及產氧光養生物的光合作用活性。研究發現，ikaite基質內部存在強烈的pH梯度（從表層海水pH 8.2升至內部pH 10以上）和動態的O?波動（從缺氧到超氧狀態），并存在由硅藻（黃色區）和藍細菌（綠色區）主導的層狀光養微生物群落。這些微生物嵌入胞外聚合物（EPS）中形成內石生物膜，在極端梯度環境下仍保持高水平的光合作用活性，其O?動態受光照驅動，并受氣泡形成緩沖。研究認為，ikaite柱中的光合作用微生物群落是活躍的，并可能參與礦物形成和柱體穩定過程。

二、研究目的

本研究旨在通過原位測量，揭示Ikka Fjord的ikaite tufa柱這一獨特極端環境中的微物理化學條件和微生物光合作用活性。具體目的包括：

 

量化微環境梯度：精確測量ikaite柱內部孔隙中的pH、溶解氧（O?）、光照和溫度的時空變化。

評估微生物活性：直接在現場確定內生光養微生物群落（藍細菌、微藻）的光合作用速率和活性。

關聯環境與群落：闡明上述物理化學梯度如何影響并塑造ikaite柱中的光合微生物群落結構（通過16S rRNA基因測序）及其空間分布。

 

探索生物-礦物相互作用：初步評估微生物生物膜（特別是EPS）在ikaite晶體基質形成和穩定性中的潛在作用。

 

三、研究思路

研究采用了多學科、原位驅動的綜合方法，思路清晰：

 

選址與采樣：在Ikka Fjord（圖1）選擇一個特定的、活躍生長的ikaite柱頂端（圖2）作為研究對象，由潛水員在2012年和2013年夏季進行現場操作。

 

 

原位微環境傳感：使用丹麥Unisense公司的水下微傳感器系統，由潛水員直接操作，穿透ikaite基質的孔隙進行高分辨率測量：

 

pH和O?剖面：使用針式pH和O?微電極，以5mm為步長測量從柱體表面到內部約2-3厘米深度的剖面，揭示化學梯度（圖5, 圖6）。

 

 

光和溫度監測：使用球形微量子傳感器測量光合有效輻射（PAR），并結合溫度記錄儀，監測環境因子的晝夜和潮汐變化（圖4）。

 

晝夜動態：進行持續24小時的O?和光照連續監測，比較晴天和陰天條件下的差異（圖7）。

 

光合活性測量：使用水下脈沖調制式（PAM）葉綠素熒光儀（Diving-PAM），在現場測量ikaite基質中光養微生物的光系統II（PSII）的有效量子產額和相對電子傳輸速率（rETR），評估其光合作用能力和光適應狀態（圖8）。

 

微生物群落分析：采集ika柱不同色素區域（黃、綠區）的樣品，通過16S rRNA基因擴增子測序（ pyrosequencing）分析光合微生物（藍細菌和微藻質體）的群落組成和多樣性（圖9, 表1）。

 

數據關聯與建模：將物理化學測量數據與微生物活性和群落數據相結合，揭示環境驅動因子與生物響應之間的關系。

 

四、測量數據及研究意義（注明來源）

 

pH微梯度（來自圖5）：

 

數據：pH從柱體上方2mm處海水的8.25，急劇上升至ikaite表面的9.1，并在深入基質15-20mm處達到約9.9至10.4。

 

研究意義：直接證實了ikaite柱內部存在極度堿性的微環境。這種梯度主要由上涌的堿性泉水所驅動，而非生物活動主導。這表明棲息于此的微生物群落必須適應并活躍在高pH（>9）的極端條件下，拓展了我們對光合微生物環境耐受性的認知。

 

O?濃度動態（來自圖6和圖7）：

 

數據：O?濃度表現出巨大的時空變異性。在白天，向陽面（如南側）的O?濃度可升至300%空氣飽和度（超氧），而背陰面（如北側）則可降至接近厭氧。晝夜循環中，O?濃度隨光照劇烈波動，白天因光合作用而升高，夜晚因呼吸作用而驟降。

 

研究意義：這是首次直接證實在ikaite這種固態礦物基質內部存在強烈且快速的光合作用-呼吸代謝活動。O?的劇烈波動表明該生態系統具有很高的生物活性和代謝速率。此外，氣體氣泡的形成緩沖了O?的晝夜變化，暗示EPS基質在調節內部氣體擴散和微環境穩態中可能起重要作用。

 

光照與溫度（來自圖4）：

 

數據：ikaite基質內部光衰減極快，僅約4-5%的表面光照能到達15mm深度。柱體表面溫度與潮汐周期同步變化，平均7.5°C，變幅約4.4°C。

 

研究意義：表明ikaite內的光養微生物生活在持續低溫、極度寡光照的環境中。它們必須是強低光適應型的，這通過后續的熒光測量得到驗證。溫度波動相對溫和，說明泉水上涌提供了穩定的熱緩沖。

 

光合作用活性（來自圖8）：

 

數據：現場葉綠素熒光測量顯示，微生物群落具有高的有效PSII量子產額，并且光合作用在較低光強下（~24 μmol photons m?2 s?1）即達到飽和，最大相對電子傳輸速率（rETRmax）為146。

 

研究意義：證明盡管環境極端（低溫、高堿、弱光），ikaite基質中的光養微生物群落光合效率很高且是典型的陰生適應型。這解釋了它們為何能在光限制嚴重的基質深處生存和繁榮。

 

微生物群落組成（來自圖9和表1）：

 

數據：測序結果顯示群落具有明顯的空間分層。外層（0-1厘米）黃白色區域以微藻（硅藻等）的質體序列為主，而內層（1-2厘米）綠色區域以藍細菌為主。不同門類的光養微生物在不同顏色區域優勢度不同。

 

研究意義：表明ikaite基質中的物理化學梯度（如光、pH、O?）導致了光養微生物的生態位分異和群落演替。這種高度有序的空間結構是生物與環境因子長期相互作用的結果，是研究極端環境下微生物生態學的理想模型。

 

五、研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

確認了一個活躍的極端微生物生態系統：Ikka Fjord的ikaite tufa柱并非惰性的地質結構，其新鮮沉積的頂端基質支持著一個高活性的內生光合微生物群落。

揭示了獨特的微環境特征：ikaite基質內部存在陡峭的pH梯度（至高堿性）和劇烈的O?動態（從厭氧到超氧），這些條件由地質過程（泉水上涌）和生物活動（光合/呼吸）共同塑造。

闡明了微生物的適應策略：其中的光養微生物（藍細菌和微藻）是高度低光適應的，并能在高堿條件下維持高效的光合作用。

 

提出了生物-地質相互作用的可能性：微生物嵌入EPS形成的內石生物膜，可能通過產生氣體氣泡緩沖O?動態，并可能影響ikaite晶體的膠結和柱體的形態發生，暗示了微生物活動在ikaite柱形成和維持中可能扮演著此前未被認識的主動角色。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

本研究中所使用的丹麥Unisense公司生產的微電極系統，對于取得上述突破性發現起到了至關重要的作用，其研究意義體現在以下幾個方面：

 

實現了真正的“原位”測量，獲取了無法替代的真實數據：傳統研究通常需要將樣品采集回實驗室進行分析，這必然會破壞脆弱的微環境（如O?和pH梯度），并引入誤差。Unisense微電極由潛水員直接在海底ikaite柱上操作，能夠以毫米級的高空間分辨率刺入多孔的ikaite晶體基質中進行測量。這種方式最大限度地保存了環境的真實性，使得發現pH在短短1-2厘米內躍升超過1.5個單位、以及O?濃度在毫米尺度上出現數量級變化的極端微梯度成為可能。沒有這種原位技術，這些梯度在采樣過程中就會消失，我們對其認知將停留在推測階段。

揭示了微生物活動的“瞬時”動態，建立了因果關系：Unisense系統能夠進行高頻、連續的監測。如圖7所示的24小時O?動態曲線，清晰地展示了溶解氧濃度如何隨著日出和日落而急劇上升和下降，并與光照強度曲線幾乎同步。這種時間上的耦合關系是證明觀察到的O?變化確實源于光合作用的最直接、最有力的證據。它排除了其他物理化學過程導致O?變化的可能性，直接將環境因子（光）與生物過程（光合作用）聯系起來，定量地刻畫了該生態系統的代謝節奏。

闡明了微環境的“空間異質性”，解釋了群落分布格局：通過在不同方位（東、南、西、北、頂面）進行剖面測量，研究發現ikaite柱不同表面的O?環境差異巨大（圖6）。這種空間異質性直接解釋了為什么微生物群落會呈現分層分布（圖9）。例如，向陽面持續的高O?環境可能更適合好氧微生物，而背陰面或深層經常性的低氧/缺氧環境則可能為厭氧或兼性厭氧微生物提供了生態位。Unisense電極提供的高分辨率空間數據，為理解“為什么特定的微生物生活在特定的位置”提供了關鍵的物理化學背景。

 

為理解生物-地質相互作用提供了關鍵線索：測量中觀察到的O?濃度時常超過300%飽和度，并結合肉眼可見的氣泡形成，表明在EPS基質內發生了強烈的氣體過飽和。Unisense電極精確記錄的這些超氧狀態，暗示微生物活動產生的氣體可能被截留在粘稠的EPS中。這不僅緩沖了系統的化學環境，還可能通過產生物理壓力影響ikaite晶體的排列和沉積。因此，這些微電極數據成為了連接微觀生物活動與宏觀地質結構（tufa柱）形成過程的重要橋梁。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極在本研究中不僅是一個高精度的測量工具，更是一個“發現引擎”。它通過提供無可辯駁的原位、高分辨率、實時數據，使研究者能夠“看到”并量化一個前所未見的深海極端微生物世界的真實運作情況，從根本上改變了我們對ikaite柱僅是一個地質奇觀的認知，確立了其作為一個復雜、活躍的微生物生態系統的地位。