鐵還原細菌胞外調控菱鐵礦和藍鐵礦微晶形成及組裝 |韓曉華-王芙仙-李金華等-ES&T/微生物學報

生物礦化是指通過生物或生物質形成礦物的過程，是連接地球上有機圈層與無機圈層的重要紐帶，對理解地質過程與生命活動相互作用和利用生物化石記錄研究地球與生命之間的協同演化等有重要意義。趨磁細菌能在細胞內形成有生物膜包被、晶型尺寸獨特可控的磁鐵礦晶體，是生物控制礦化研究的典范。而鐵還原和鐵氧化細菌則通常在細胞外形成類型多樣、形貌尺寸多變的含鐵礦物，屬于生物誘導型礦化。傳統觀點認為，微生物胞外誘導礦化受外界環境影響大，其礦化產物也很難與非生物成因礦物區分，因而限制了其在地質記錄和生物仿生礦化中的拓展應用。

近年來，中國科學院地質與地球物理研究所李金華研究員與潘永信院士生物地磁學團隊聯合中國科學院煙臺海岸帶研究所、中國科學院地球化學研究所、加拿大國家同步輻射中心、法國巴黎第六大學和德國圖賓根大學的科研人員，利用先進的電子顯微鏡技術和基于同步輻射的掃描透射X射線顯微鏡（STXM）方法，系統研究了異化鐵還原菌Shewanella oneidensis MR-4的胞外誘導礦化過程及其產物特性。他們發現：1）以水合氧化鐵為底物，可以通過微調培養體系誘導礦化生成超順磁磁鐵礦晶體，以及具有特殊組裝構型的菱鐵礦和藍鐵礦微晶；2）細胞物質（可能是脂類等有機質）參與了菱鐵礦和藍鐵礦微晶體的成核和組裝，并被封存或保留在這些礦物微晶體內。研究成果以封面文章發表在環境科學領域國際top期刊ES&T和微生物學領域國內核心期刊《微生物學報》上。

鐵還原細菌Shewanella oneidensis MR-4在胞外誘導礦化形成具有特殊組裝構型的菱鐵礦和藍鐵礦微晶。成果以封面文章分別發表在ES&T（左圖）和《微生物學報》（右圖）上

異化型鐵還原細菌

異化鐵還原菌是一種可以耦合C元素和Fe元素的微生物，它可以通過氧化有機質或者H2還原Fe3+，從而在胞外礦化形成一系列含Fe2+礦物。異化鐵還原菌能夠還原結晶程度較低的Fe3+礦物，如水合氧化鐵、纖鐵礦等，其還原程度較高；也可以利用結晶程度較高的Fe3+礦物，如針鐵礦、赤鐵礦等，但多局限于納米級的顆粒，且還原程度較低，多集中于礦物顆粒表層。異化鐵還原菌可以利用上述礦物作為Fe3+底物在胞外誘導礦化生成磁鐵礦、菱鐵礦和藍鐵礦等礦物。不同于趨磁細菌礦化形成的單疇磁鐵礦顆粒，異化鐵還原菌礦化形成的磁鐵礦多為超順磁顆粒，只有某些菌株在高溫或長時間的培養過程中會礦化形成大粒徑的磁鐵礦。前人對異化鐵還原菌礦化形成的磁鐵礦開展了大量研究，然而對其礦化生成的菱鐵礦和藍鐵礦產物研究較少。

菱鐵礦和藍鐵礦的形成過程、形貌演化及其對應的顯微結構

通過檢測異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導菱鐵礦和藍鐵礦生成過程中的微生物-化學參數（圖1左），我們發現無論在低P或高P（磷元素）培養基中，隨著S. oneidensis MR-4細胞的生長，培養體系中的蛋白濃度在~20天達到最高值。相對應地，培養體系的上清液中Fe(II)濃度也在相同的時間點達到最高值。而由于水合氧化鐵的還原和磁鐵礦、菱鐵礦或藍鐵礦的形成，沉淀中的Fe2+濃度逐漸增加，而上清液 中Fe2+濃度逐漸降低。相比于對照組，整個培養過程中反應體系的pH沒有明顯變化。這說明低P或高P（磷元素）培養基對S. oneidensis MR-4誘導菱鐵礦和藍鐵礦生成過程中的微生物-化學性質沒有明顯影響。

然而，由于異化鐵還原菌是通過胞外誘導方式礦化形成礦物，其培養環境對其最終礦化產物有著重要影響。在低P（磷元素）培養基中，異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4還原水合氧化鐵生成的Fe(II)主要與NaHCO3緩沖液中的CO32-結合形成菱鐵礦，其晶體有著獨特的形貌演化順序：紡錘狀-棒狀-花生狀-啞鈴狀-球狀（圖1中）。而在高P培養基中，異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4還原水合氧化鐵生成的Fe(II)主要與PO43-結合形成藍鐵礦，其形貌主要為纖維狀或者葉片狀。高分辨掃描電子顯微鏡觀察發現菱鐵礦和藍鐵礦顆粒分別是由許多單晶菱鐵礦板和藍鐵礦板組成（圖1右），這些單晶板從礦物的中心呈扇形散開，鐵還原菌通過類似“搭積木”的過程對單晶板進行組裝。

圖1異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導菱鐵礦和藍鐵礦生成過程中的微生物-化學-礦物檢測（左）、電鏡觀察（中）和精細結構（右）分析結果。

菱鐵礦的粒徑分布、原位化學和自動晶體取向映射特征

通過對異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導生成的菱鐵礦進行粒徑統計分析發現：雖然紡錘狀、棒狀和花生狀菱鐵礦的形貌不同，但其長/寬比是一致的（2-3），而啞鈴狀和球狀菱鐵礦的長/寬比分別為2-1和~1，這說明當菱鐵礦的形狀從花生狀轉變為啞鈴狀后，其寬度的增長速率更快（圖2左上）。STXM分析發現，菱鐵礦顆粒中還含有Fe3+和有機分子（圖2左下）。透射電鏡自動晶體取向分析（ACOM）結果也發現菱鐵礦中心結晶程度較差，與周圍呈放射狀生長的部分不同（圖2右）。這表明菱鐵礦晶體最初可能以Fe3+（水合氧化鐵）和有機分子作為成核位點，后續通過單晶菱鐵礦板的組裝后呈放射狀生長。并且這些有機分子不僅有助于單晶菱鐵礦板的組裝和菱鐵礦的多步驟生長過程，反之，菱鐵礦也是有機分子的“墳墓”，有利于有機分子的保存。

圖2異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4礦化產物菱鐵礦粒徑分布（左上）、原位化學（左下）和透射電鏡自動晶體取向映射特征（右）。

異化鐵還原菌誘導礦化模型

本研究通過連續檢測異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4礦化過程中Fe濃度和礦化產物的變化，發現在前14天的培養過程中，上清液的Fe(II)濃度較低，磁鐵礦是S. oneidensis MR-4唯一的礦化產物。而培養到~20天時，上清液的Fe(II)濃度達到峰值，S. oneidensis MR-4誘導菱鐵礦或藍鐵礦生成。這說明上清液中的Fe(II)濃度在異化鐵還原菌誘導礦物生成過程中起著主要作用。結合電子顯微鏡和STXM結果，本研究提出了S. oneidensis MR-4誘導礦化磁鐵礦、菱鐵礦或藍鐵礦的模型（圖3）：在實驗初期，細菌生成的Fe(II)含量較低，Fe(II)立即與水合氧化鐵反應生成磁鐵礦；隨著細胞的生長，其生成Fe(II)含量增加，Fe(II)與溶液中的CO32-或PO43-結合，并以水合氧化鐵和有機分子作為成核位點形成菱鐵礦或藍鐵礦。后續菱鐵礦進一步的粒徑生長伴隨著形貌學的變化：紡錘狀-棒狀-花生狀-啞鈴狀-球狀，而藍鐵礦主要為纖維狀或者葉片狀。

圖3異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導磁鐵礦、菱鐵礦或藍鐵礦的礦化過程

總之，本研究不僅觀察到異化鐵還原菌誘導菱鐵礦和藍鐵礦礦化是一個類似于“搭積木”的過程，菱鐵礦和藍鐵礦作為有機分子的“墳墓”有利于有機質的保存，也證實了其獨特的形貌結構和內部有機分子的存在可能是地質記錄中生物成因菱鐵礦和藍鐵礦識別的形貌學和地球化學證據，同時也為利用鐵細菌的生物礦化作用開展環境修復和生物仿生等納米地球科學應用提供指導。

研究成果發表于Environmental Science & Technology和微生物學報，并被選為封面文章（韓曉華#，王芙仙#，鄭世玲，邱浩，劉延，王建，Nicolas Menguy，Eric Leroy，Julie Bourgon，Andreas Kappler，劉芳華，潘永信，李金華*. Morphological, Microstructural, and In Situ Chemical Characteristics of Siderite Produced by Iron-Reducing Bacteria）（點擊左下角“閱讀原文”查看）（王芙仙#，鄭世玲，邱浩，曹長乾，唐旭，郝立凱，劉芳華，李金華*. 鐵還原細菌Shewanella oneidensis MR-4誘導水合氧化鐵形成藍鐵礦的過程）。研究受國家自然科學基金（42225402、41920104009、41890843、42204085、U20A20109、41522402和41621004），廣東省重點領域研發計劃項目（2020B1111530002、2019GDASYL-0102003）、中國博士后科學基金項目（2021M693151）、青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室開放基金（MGQNLM201704）和中國科學院“百人計劃”資助。

編輯：萬鵬