Marine sediments microbes capable of electrode oxidation as a surrogate for lithotrophic insoluble substrate metabolism

具有電極氧化能力的海洋沉積物微生物可作為巖石營養(yǎng)不溶性底物代謝的替代物

來源：Frontiers in Microbiology | Microbial Physiology and Metabolism January 2015 | Volume 5 | Article 784

 

論文摘要

摘要指出，關(guān)于沉積物中生物礦物氧化的機(jī)制和重要性目前知之甚少，部分原因是難以培養(yǎng)礦物氧化微生物。本研究證明，電化學(xué)富集是一種可行的方法，可用于分離能夠從不可溶礦物中獲取電子的微生物。研究構(gòu)建了沉積物微宇宙，并在不同受控氧化還原電位下培養(yǎng)電極。觀察到陰極電流產(chǎn)生，并隨著電位降低而增加。電極相關(guān)的生物質(zhì)在次級無沉積物富集實(shí)驗(yàn)中，能利用硝酸鹽和三價(jià)鐵作為末端電子受體。從電極生物質(zhì)衍生的元素硫、元素鐵和無定形硫化鐵富集物顯示出硫或鐵氧化的產(chǎn)物。從這些富集物中分離出的微生物屬于γ-變形菌綱和α-變形菌綱。計(jì)時(shí)安培分析數(shù)據(jù)表明，這些分離株在缺乏其他電子源的情況下能持續(xù)進(jìn)行電極氧化。循環(huán)伏安法顯示了主導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移模式的變異性以及與電極相互作用的多樣性。在單一沉積物和一種氧化還原條件下觀察到細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的多樣性，說明了這些相互作用潛在的重要性和普遍性。

研究目的

本研究的主要目的是利用電化學(xué)方法，從可能發(fā)生巖石營養(yǎng)反應(yīng)的海洋沉積物中，培養(yǎng)能夠氧化礦物的微生物，以增加對微生物-礦物相互作用范圍和多樣性的理解，并擴(kuò)充可用于電化學(xué)應(yīng)用的微生物資源庫。

研究思路

研究采用多階段、從環(huán)境樣品到純培養(yǎng)分離的電化學(xué)富集策略：

 

初級富集（沉積物微宇宙）：從卡特琳娜港采集海洋沉積物，建立實(shí)驗(yàn)室微宇宙系統(tǒng)。將氧化銦錫電極作為工作電極插入沉積物中，在不同陰極電位下進(jìn)行培養(yǎng)，富集能夠從電極獲取電子的微生物。

次級富集（無沉積物生物反應(yīng)器）：將初級富集后的電極轉(zhuǎn)移到無菌的無沉積物三電極生物反應(yīng)器中，并添加不同的潛在末端電子受體，通過監(jiān)測電流變化來驗(yàn)證電極氧化與TEA還原的耦合。

三級富集與分離（不溶性電子供體）：使用不溶性電子供體進(jìn)行微生物富集和分離。以元素硫、元素鐵和無定形硫化鐵作為電子供體，硝酸鹽等作為電子受體，在無外源有機(jī)碳的條件下進(jìn)行傳代培養(yǎng)，最終通過固體培養(yǎng)基分離純化菌株。

 

菌株表征：對分離菌株進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育鑒定，并通過電化學(xué)技術(shù)（如計(jì)時(shí)安培法、循環(huán)伏安法）和掃描電子顯微鏡分析其電化學(xué)活性、電子轉(zhuǎn)移機(jī)制和形態(tài)。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來源）

 

沉積物微宇宙中的電流產(chǎn)生：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：在不同施加電壓下測量陰極電流。結(jié)果顯示，電位越負(fù)，產(chǎn)生的陰極電流越大，在-400 mV時(shí)電流最大。

研究意義：直接證明了在沉積物環(huán)境中，微生物能夠利用陰極電極作為電子供體進(jìn)行代謝活動。這表明電極可以模擬不溶性礦物底物的功能。

 

數(shù)據(jù)來源：該數(shù)據(jù)總結(jié)自 表1，顯示了不同電壓下的平均電流。

 

次級富集中TEA添加與電流響應(yīng)：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：在無沉積物生物反應(yīng)器中，添加硝酸鹽后觀察到負(fù)電流增加，表明電極氧化與硝酸鹽還原相耦合。

研究意義：確定了從沉積物中富集到的電極氧化微生物能夠利用硝酸鹽作為末端電子受體，將電極氧化過程與特定的生物地球化學(xué)過程聯(lián)系起來。

 

數(shù)據(jù)來源：該現(xiàn)象展示在 圖2B中。

 

三級富集物的微生物群落分析：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過16S rRNA基因測序分析不同不溶性電子供體富集物的微生物群落組成。結(jié)果顯示，根據(jù)使用的電子供體不同，富集出的優(yōu)勢微生物類群也不同。

研究意義：表明電化學(xué)富集方法能夠針對性地富集具有特定代謝功能（如硫氧化、鐵氧化）的微生物群體，揭示了沉積物中微生物功能多樣性的潛力。

 

 

數(shù)據(jù)來源：群落組成數(shù)據(jù)總結(jié)在 表2中，系統(tǒng)發(fā)育樹展示在 圖3。

 

分離菌株的電化學(xué)活性：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過計(jì)時(shí)安培法驗(yàn)證所有分離菌株都能在以電極為唯一電子供體、硝酸鹽或氧氣為電子受體的條件下產(chǎn)生負(fù)電流。

研究意義：從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了分離獲得的微生物確實(shí)是具有電極氧化能力的“電活性微生物”，而非富集物中的伴隨菌。

 

數(shù)據(jù)來源：代表性數(shù)據(jù)見 圖5和 Supplementary Figure S4。

 

分離菌株的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制分析：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過循環(huán)伏安法分析不同菌株的電子轉(zhuǎn)移模式，計(jì)算其中點(diǎn)電位。結(jié)果顯示，不同菌株甚至同一屬的不同菌株，其主導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制和中點(diǎn)電位存在差異。

研究意義：揭示了這些微生物與電極相互作用機(jī)制的多樣性，暗示其細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移途徑可能各不相同，為發(fā)現(xiàn)新穎的EET機(jī)制提供了線索。

 

 

數(shù)據(jù)來源：代表性循環(huán)伏安圖見 圖6，中點(diǎn)電位數(shù)據(jù)總結(jié)在 表3。

 

結(jié)論

 

電化學(xué)富集法成功地從未培養(yǎng)的海洋沉積物中分離出多種能夠進(jìn)行電極氧化的微生物，證明該方法可用于培養(yǎng)以不溶性底物為生的巖石營養(yǎng)菌。

分離出的微生物包括多種γ-變形菌和α-變形菌，許多菌株具有代謝多功能性，能氧化硫和/或鐵。

這些微生物通過不同的機(jī)制與電極相互作用，顯示出細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的廣泛多樣性。

 

該方法為擴(kuò)大培養(yǎng)物收集、理解環(huán)境中的微生物-礦物相互作用以及開發(fā)電化學(xué)應(yīng)用提供了有前景的途徑。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)有什么研究意義

在本研究中，丹麥Unisense微剖面系統(tǒng)被用于一個(gè)關(guān)鍵的預(yù)備性步驟，其測量數(shù)據(jù)為后續(xù)的電化學(xué)富集實(shí)驗(yàn)提供了至關(guān)重要的環(huán)境背景和驗(yàn)證。

 

刻畫沉積物原始化學(xué)梯度，為電極放置位置提供科學(xué)依據(jù)：在建立沉積物微宇宙并進(jìn)行電極富集之前，研究者使用Unisense微電極測量了沉積物中氧氣、pH、氧化還原電位和硫化物的濃度隨深度的變化。這些高分辨率的微剖面數(shù)據(jù)幫助研究者了解了沉積物中氧化還原分層的具體情況。例如，通過確定氧氣耗盡層和特定氧化還原電位出現(xiàn)的深度，研究者可以明智地將工作電極放置在沉積物中合適的深度，以確保電極所處的化學(xué)環(huán)境能夠模擬某些不溶性礦物存在的天然微環(huán)境，從而有針對性地富集目標(biāo)微生物。沒有這些前期化學(xué)剖面的數(shù)據(jù)，電極富集實(shí)驗(yàn)將帶有盲目性。

驗(yàn)證微宇宙系統(tǒng)的環(huán)境真實(shí)性：在沉積物微宇宙培養(yǎng)期間，Unisense系統(tǒng)被用來監(jiān)測微宇宙中的地球化學(xué)剖面。數(shù)據(jù)顯示，微宇宙中的化學(xué)梯度與天然沉積物相似，并且在不同微宇宙間保持一致。這表明實(shí)驗(yàn)室建立的微宇宙系統(tǒng)成功地模擬了自然沉積物的關(guān)鍵化學(xué)條件，從而保證了在其中進(jìn)行的電化學(xué)富集實(shí)驗(yàn)具有生態(tài)學(xué)相關(guān)性，所得結(jié)果能夠在一定程度上反映自然環(huán)境中的真實(shí)過程。

 

提供否定性證據(jù)，排除干擾因素：Unisense的硫化物微電極測量顯示，在微宇宙中未檢測到硫化氫。這一“陰性”結(jié)果具有重要意義。它排除了硫化物作為重要的天然還原劑對電極電流產(chǎn)生顯著 abiotic 貢獻(xiàn)的可能性，從而強(qiáng)有力地支持了所觀察到的陰極電流確實(shí)主要來源于微生物的電極氧化活動這一結(jié)論。

 

總之，在本研究中，Unisense電極系統(tǒng)扮演了“環(huán)境偵察兵”和“質(zhì)量檢驗(yàn)員”的角色。它提供的高分辨率原位地球化學(xué)數(shù)據(jù)，不僅為電化學(xué)富集實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵輸入，確保了實(shí)驗(yàn)的生態(tài)相關(guān)性，還為后續(xù)對微生物電化學(xué)活性的解釋提供了重要的環(huán)境背景證據(jù)，增強(qiáng)了整個(gè)研究結(jié)論的可靠性和說服力。