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

鹽堿灘中的大型硫屬細菌無色菌屬在方解石中的積累

來源：The ISME Journal , 2015, 1–12

 

摘要內容

這篇論文研究了海洋環境中大型硫細菌屬Achromatium（無色菌屬）的生態生理特性。摘要指出，Achromatium是唯一能積累內部方解石的細菌屬，以往研究多集中于淡水環境，而本研究首次深入調查了鹽沼（Sippewissett Salt Marsh）潮池沉積物中的海洋種群。該環境中，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硫酸鹽還原細菌驅動動態硫循環。研究發現，鹽沼Achromatium的細胞內鈣/硫比率隨深度和晝夜變化，表明其對沉積物氧化還原條件的生化響應。論文還探討了方解石積累的生物功能（如緩沖pH），并基于棲息地適應和系統發育差異，提出了新分類學分類“Candidatus Achromatium palustre”。

研究目的

本研究旨在揭示海洋鹽沼環境中Achromatium種群的生態生理適應性，特別是其方解石積累行為的生物功能，并評估其與淡水親屬的差異，以推動對該未培養細菌的進化與生態理解。

研究思路

研究采用多學科結合的策略：

 

現場采樣：在美國Sippewissett鹽沼的潮池中，于低潮時采集沉積物巖心，重點分析沉積物表層（0-3 cm）的Achromatium種群。

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

細胞生物學分析：通過細胞計數、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、分布及細胞內含物（方解石和硫）。

分子生物學研究：進行16S rRNA基因測序和系統發育分析，確定鹽沼Achromatium的分類位置；并通過高通量測序分析沉積物微生物群落。

 

數據整合：將化學剖面與細胞行為、分子數據關聯，解釋方解石積累的生態功能。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

溶解氧（O?）剖面：

 

數據內容：微電極測量顯示，白天沉積物上覆水氧氣過飽和（峰值近表面），在0-2 mm深度內迅速降至檢測限；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，表明白天高氧環境可能驅動其好氧代謝或氧耐受性。

 

數據來源：圖2a。

 

總硫化物濃度：

 

數據內容：沉積物中硫化物濃度波動在0.5-2.5 mM之間，夜間梯度可達表面，白天在2-5 mm深度耗盡。

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

 

數據來源：圖2b。

 

pH剖面：

 

數據內容：白天pH在光合作用影響下升高（上覆水pH可達8.8），沉積物中降至6-7；夜間pH較穩定（7.0-7.3）。

研究意義：表明pH變化與碳酸鹽緩沖相關，影響方解石的溶解與沉淀過程。

 

數據來源：圖2c。

 

Achromatium細胞分布：

 

數據內容：細胞計數顯示，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1023 cells/ml。

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

 

數據來源：圖2d。

 

細胞內鈣/硫比率：

 

數據內容：SEM/EDS分析顯示，表層細胞鈣含量高（白天達99%），硫含量低（0.7%）；深層細胞硫含量增加（最高40%），鈣減少（至60%）。鈣/硫比率隨深度降低。

研究意義：直接關聯方解石和硫的積累與微環境，支持方解石作為氧化還原緩沖劑的假說。

 

數據來源：圖2e和圖3（b、c）。

 

拉曼光譜數據：

 

數據內容：確認細胞內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，驗證Achromatium的獨特代謝特征。

 

數據來源：圖3a。

 

16S rRNA基因序列：

 

數據內容：系統發育樹顯示鹽沼Achromatium形成獨立分支，與淡水種群序列差異>6%。

研究意義：支持新分類提議，表明棲息地適應驅動遺傳分化。

 

數據來源：圖4。

 

結論

 

分類學創新：鹽沼Achromatium在系統發育上屬于Achromatiaceae科，但形成獨立譜系，建議為候選新種“Candidatus Achromatium palustre”。

生態適應性：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，這可能是對高硫化物環境的適應。

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

 

行為動態：細胞遷移和鈣/硫比率變化響應晝夜氧化還原波動，凸顯其在硫循環中的關鍵角色。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的微電極（包括溶解氧、硫化氫和pH微電極）進行了高分辨率測量，這些數據的研究意義如下：

 

提供毫米級空間分辨率：Unisense電極能以亞毫米精度測量沉積物剖面的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取樣的平均效應，準確定位了Achromatium的微棲息地（如氧化層與厭氧層界面）。

直接驗證化學梯度與細胞行為的關聯：O?和H?S剖面數據與Achromatium細胞分布（圖2d）高度同步。數據顯示，白天細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的遷移是對氧化還原條件的動態響應，而非被動擴散。

揭示方解石積累的驅動機制：pH微電極數據（圖2c）顯示白天表層pH升高（由于光合作用），深層pH降低。結合鈣/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生的酸（例如，硫→硫酸鹽時釋放H?，方解石溶解中和）；而在深層，硫還原環境可能促進方解石沉淀。Unisense數據為這一緩沖假說提供了關鍵環境證據。

 

支持生態生理推斷：O?微電極證實鹽沼Achromatium暴露于高氧環境，挑戰了傳統認為其嚴格厭氧的觀點，表明其具有氧耐受性。H?S數據則顯示高硫化物壓力，解釋為何種群密度低于淡水環境（102-103 cells/ml）。這些測量深化了對Achromatium在極端梯度中生存策略的理解。

 

總之，Unisense電極的高精度數據不僅刻畫了鹽沼沉積物的化學異質性，還將微生物活動與地球化學過程直接鏈接，為理解大型硫細菌的適應進化及生物地球化學循環提供了實證基礎。