Calcite-accumulating large sulfur bacteria of the genus Achromatium in Sippewissett Salt Marsh

鹽堿灘中的大型硫?qū)偌?xì)菌無色菌屬在方解石中的積累

來源：The ISME Journal , 2015, 1–12

 

摘要內(nèi)容

這篇論文研究了海洋環(huán)境中大型硫細(xì)菌屬Achromatium（無色菌屬）的生態(tài)生理特性。摘要指出，Achromatium是唯一能積累內(nèi)部方解石的細(xì)菌屬，以往研究多集中于淡水環(huán)境，而本研究首次深入調(diào)查了鹽沼（Sippewissett Salt Marsh）潮池沉積物中的海洋種群。該環(huán)境中，白天高硫化物濃度與過飽和氧氣濃度共存，由光合硫氧化和異養(yǎng)硫酸鹽還原細(xì)菌驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)硫循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，鹽沼Achromatium的細(xì)胞內(nèi)鈣/硫比率隨深度和晝夜變化，表明其對(duì)沉積物氧化還原條件的生化響應(yīng)。論文還探討了方解石積累的生物功能（如緩沖pH），并基于棲息地適應(yīng)和系統(tǒng)發(fā)育差異，提出了新分類學(xué)分類“Candidatus Achromatium palustre”。

研究目的

本研究旨在揭示海洋鹽沼環(huán)境中Achromatium種群的生態(tài)生理適應(yīng)性，特別是其方解石積累行為的生物功能，并評(píng)估其與淡水親屬的差異，以推動(dòng)對(duì)該未培養(yǎng)細(xì)菌的進(jìn)化與生態(tài)理解。

研究思路

研究采用多學(xué)科結(jié)合的策略：

 

現(xiàn)場(chǎng)采樣：在美國(guó)Sippewissett鹽沼的潮池中，于低潮時(shí)采集沉積物巖心，重點(diǎn)分析沉積物表層（0-3 cm）的Achromatium種群。

微環(huán)境測(cè)量：使用微傳感器（如丹麥Unisense電極）原位測(cè)量沉積物剖面的溶解氧（O?）、硫化氫（H?S）和pH，以刻畫化學(xué)梯度。

細(xì)胞生物學(xué)分析：通過細(xì)胞計(jì)數(shù)、熒光染色（如DAPI、FITC）、拉曼光譜和掃描電子顯微鏡/能量色散X射線光譜儀（SEM/EDS），分析Achromatium的形態(tài)、分布及細(xì)胞內(nèi)含物（方解石和硫）。

分子生物學(xué)研究：進(jìn)行16S rRNA基因測(cè)序和系統(tǒng)發(fā)育分析，確定鹽沼Achromatium的分類位置；并通過高通量測(cè)序分析沉積物微生物群落。

 

數(shù)據(jù)整合：將化學(xué)剖面與細(xì)胞行為、分子數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，解釋方解石積累的生態(tài)功能。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來源）

 

溶解氧（O?）剖面：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：微電極測(cè)量顯示，白天沉積物上覆水氧氣過飽和（峰值近表面），在0-2 mm深度內(nèi)迅速降至檢測(cè)限；夜間氧氣梯度較平緩。

研究意義：揭示Achromatium暴露于劇烈變化的氧化還原條件，表明白天高氧環(huán)境可能驅(qū)動(dòng)其好氧代謝或氧耐受性。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2a。

 

總硫化物濃度：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：沉積物中硫化物濃度波動(dòng)在0.5-2.5 mM之間，夜間梯度可達(dá)表面，白天在2-5 mm深度耗盡。

研究意義：反映硫循環(huán)的強(qiáng)度，高硫化物為Achromatium提供電子供體，但也可能造成毒性壓力。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2b。

 

pH剖面：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：白天pH在光合作用影響下升高（上覆水pH可達(dá)8.8），沉積物中降至6-7；夜間pH較穩(wěn)定（7.0-7.3）。

研究意義：表明pH變化與碳酸鹽緩沖相關(guān)，影響方解石的溶解與沉淀過程。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2c。

 

Achromatium細(xì)胞分布：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：細(xì)胞計(jì)數(shù)顯示，白天種群集中于沉積物頂部4 mm，夜間分散于0-1.25 cm范圍，最高密度達(dá)1023 cells/ml。

研究意義：證明Achromatium具有晝夜遷移行為，適應(yīng)氧化還原梯度，不同于淡水種群的避氧策略。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2d。

 

細(xì)胞內(nèi)鈣/硫比率：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：SEM/EDS分析顯示，表層細(xì)胞鈣含量高（白天達(dá)99%），硫含量低（0.7%）；深層細(xì)胞硫含量增加（最高40%），鈣減少（至60%）。鈣/硫比率隨深度降低。

研究意義：直接關(guān)聯(lián)方解石和硫的積累與微環(huán)境，支持方解石作為氧化還原緩沖劑的假說。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2e和圖3（b、c）。

 

拉曼光譜數(shù)據(jù)：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：確認(rèn)細(xì)胞內(nèi)含物為大顆粒方解石（CaCO?）和間隙中的硫（S?）。

研究意義：提供分子證據(jù)，驗(yàn)證Achromatium的獨(dú)特代謝特征。

 

數(shù)據(jù)來源：圖3a。

 

16S rRNA基因序列：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：系統(tǒng)發(fā)育樹顯示鹽沼Achromatium形成獨(dú)立分支，與淡水種群序列差異>6%。

研究意義：支持新分類提議，表明棲息地適應(yīng)驅(qū)動(dòng)遺傳分化。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4。

 

結(jié)論

 

分類學(xué)創(chuàng)新：鹽沼Achromatium在系統(tǒng)發(fā)育上屬于Achromatiaceae科，但形成獨(dú)立譜系，建議為候選新種“Candidatus Achromatium palustre”。

生態(tài)適應(yīng)性：與淡水種群不同，鹽沼Achromatium持久棲息于白天高氧表層，表明氧耐受性或好氧代謝能力，這可能是對(duì)高硫化物環(huán)境的適應(yīng)。

方解石功能：方解石積累可能作為內(nèi)部pH緩沖劑，耦合硫氧化過程（硫→硫酸鹽時(shí)產(chǎn)酸，方解石溶解中和酸；硫化物→硫時(shí)耗堿，方解石沉淀）。

 

行為動(dòng)態(tài)：細(xì)胞遷移和鈣/硫比率變化響應(yīng)晝夜氧化還原波動(dòng)，凸顯其在硫循環(huán)中的關(guān)鍵角色。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的微電極（包括溶解氧、硫化氫和pH微電極）進(jìn)行了高分辨率測(cè)量，這些數(shù)據(jù)的研究意義如下：

 

提供毫米級(jí)空間分辨率：Unisense電極能以亞毫米精度測(cè)量沉積物剖面的O?、H?S和pH（如圖2所示）。例如，O?微電極顯示白天氧氣在表面過飽和并迅速衰減，H?S微電極揭示硫化物在深層積累。這種高分辨率避免了傳統(tǒng)取樣的平均效應(yīng)，準(zhǔn)確定位了Achromatium的微棲息地（如氧化層與厭氧層界面）。

直接驗(yàn)證化學(xué)梯度與細(xì)胞行為的關(guān)聯(lián)：O?和H?S剖面數(shù)據(jù)與Achromatium細(xì)胞分布（圖2d）高度同步。數(shù)據(jù)顯示，白天細(xì)胞集中于氧氣豐富的表層（0-4 mm），而夜間分散至更深處，這直接證明了Achromatium的遷移是對(duì)氧化還原條件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而非被動(dòng)擴(kuò)散。

揭示方解石積累的驅(qū)動(dòng)機(jī)制：pH微電極數(shù)據(jù)（圖2c）顯示白天表層pH升高（由于光合作用），深層pH降低。結(jié)合鈣/硫比率（圖2e），表明方解石在表層積累可能用于緩沖硫氧化產(chǎn)生的酸（例如，硫→硫酸鹽時(shí)釋放H?，方解石溶解中和）；而在深層，硫還原環(huán)境可能促進(jìn)方解石沉淀。Unisense數(shù)據(jù)為這一緩沖假說提供了關(guān)鍵環(huán)境證據(jù)。

 

支持生態(tài)生理推斷：O?微電極證實(shí)鹽沼Achromatium暴露于高氧環(huán)境，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)為其嚴(yán)格厭氧的觀點(diǎn)，表明其具有氧耐受性。H?S數(shù)據(jù)則顯示高硫化物壓力，解釋為何種群密度低于淡水環(huán)境（102-103 cells/ml）。這些測(cè)量深化了對(duì)Achromatium在極端梯度中生存策略的理解。

 

總之，Unisense電極的高精度數(shù)據(jù)不僅刻畫了鹽沼沉積物的化學(xué)異質(zhì)性，還將微生物活動(dòng)與地球化學(xué)過程直接鏈接，為理解大型硫細(xì)菌的適應(yīng)進(jìn)化及生物地球化學(xué)循環(huán)提供了實(shí)證基礎(chǔ)。