Two New Beggiatoa Species Inhabiting Marine Mangrove Sediments in the Caribbean

棲息于加勒比海海洋紅樹林沉積物中的兩種貝氏藻新種

來源：PLoS ONE 10(2): e0117832.

 

一、摘要內(nèi)容

摘要指出，貝氏硫細(xì)菌是眾所周知的巨型硫氧化細(xì)菌，常見于冷水、溫帶水域和熱液噴口，但從未在熱帶海洋紅樹林中被描述過。本研究首次描述了在紅樹林根系附近沉積物中定殖的兩種貝氏硫細(xì)菌新種。研究結(jié)合了系統(tǒng)發(fā)育分析、脂質(zhì)分析、電子顯微鏡技術(shù)，并對(duì)細(xì)菌的生存環(huán)境進(jìn)行了原位和中宇宙生態(tài)系條件下的氧氣和硫化物測(cè)量。基于此，鑒定出兩種棲息于瓜德羅普熱帶海洋紅樹林的新物種：暫定名為 CandidatusMaribeggiatoa sp. 和 CandidatusIsobeggiatoa sp.。研究表明貝氏硫細(xì)菌家族分布廣泛，并為了解其在紅樹林等淺水富硫環(huán)境中的潛在作用提供了新見解。

二、研究目的

本研究的主要目的是鑒定和描述在加勒比海瓜德羅普島海洋紅樹林中形成白色菌墊的主要細(xì)菌。具體目標(biāo)包括：

 

利用多相方法（系統(tǒng)發(fā)育、形態(tài)、生化）鑒定這些細(xì)菌。

描述這兩種新物種的形態(tài)和超微結(jié)構(gòu)特征。

通過能量色散X射線光譜分析驗(yàn)證其硫氧化代謝特性。

 

通過原位和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，表征這些細(xì)菌生存的化學(xué)環(huán)境（特別是氧氣和硫化物梯度）。

 

三、研究思路

研究采用多相分類學(xué)方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)室分析：

 

采樣與篩選：從瓜德羅普紅樹林沉積物的白色菌墊中采集無色絲狀細(xì)菌，在解剖鏡下篩選出兩種形態(tài)型。

形態(tài)與結(jié)構(gòu)鑒定：通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡觀察細(xì)菌的形態(tài)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和硫顆粒。

分子生物學(xué)鑒定：提取DNA，擴(kuò)增16S rRNA基因并測(cè)序，進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析以確定其分類地位。

代謝特征分析：使用能量色散X射線光譜分析硫元素；通過脂質(zhì)分析確定脂肪酸組成，作為系統(tǒng)發(fā)育的補(bǔ)充證據(jù)。

 

環(huán)境表征：使用微電極在原位和中宇宙生態(tài)系中測(cè)量沉積物孔隙水的氧氣和硫化物垂直剖面，以闡明細(xì)菌的生存環(huán)境。研究思路的整體流程和關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)在從菌墊觀察到系統(tǒng)發(fā)育鑒定的各個(gè)環(huán)節(jié)，例如圖1展示了紅樹林中的白色菌墊樣本，圖2通過顯微照片和熒光原位雜交確認(rèn)了兩種形態(tài)型的身份。

 

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明圖表來源）

研究測(cè)量了多類數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

細(xì)菌形態(tài)與超微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：詳細(xì)描述了兩種形態(tài)型的細(xì)胞尺寸（形態(tài)型1：寬60μm，長18.6μm；形態(tài)型2：寬30μm，長3.8μm）、絲狀體長度（可達(dá)30mm）以及內(nèi)部硫顆粒的分布和結(jié)構(gòu)。透射電鏡顯示細(xì)胞中央存在大的無膜空泡，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物緊貼外膜。

 

研究意義：這些形態(tài)數(shù)據(jù)是鑒定新物種的基礎(chǔ)，中央空泡的存在暗示了其可能用于儲(chǔ)存硝酸鹽進(jìn)行厭氧呼吸。硫顆粒附著在細(xì)胞質(zhì)膜上而非細(xì)胞間隔膜上，揭示了硫儲(chǔ)存的特殊方式。

 

數(shù)據(jù)來源：形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)主要來自圖1、圖2a, d和圖3的顯微照片。

 

系統(tǒng)發(fā)育分析數(shù)據(jù)：基于16S rRNA基因序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，顯示形態(tài)型1歸屬于 CandidatusMaribeggiatoa 類群，形態(tài)型2歸屬于 CandidatusIsobeggiatoa 類群。

 

研究意義：從分子水平確認(rèn)了這兩種細(xì)菌是貝氏硫細(xì)菌家族的新物種，并將形態(tài)型2（Isobeggiatoa）的已知分布范圍從北極和溫帶水域擴(kuò)展到了熱帶環(huán)境。

 

數(shù)據(jù)來源：系統(tǒng)發(fā)育樹展示在圖5中。

 

脂質(zhì)成分?jǐn)?shù)據(jù)：分析了兩種形態(tài)型的脂肪酸組成，均以C16和C18脂肪酸為主，含0-1個(gè)雙鍵（ω-7位置）。形態(tài)型2還含有少量的C20多不飽和脂肪酸。

 

研究意義：脂肪酸譜與已知的貝氏硫細(xì)菌和其他硫氧化細(xì)菌相似，為系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的結(jié)論提供了獨(dú)立的生化證據(jù)支持。

 

數(shù)據(jù)來源：脂質(zhì)分布數(shù)據(jù)總結(jié)在表1中。

 

硫氧化代謝證據(jù)（能量色散X射線光譜數(shù)據(jù)）：使用環(huán)境掃描電鏡結(jié)合能量色散X射線光譜，確認(rèn)了細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)硫顆粒的主要成分為元素硫。

 

研究意義：這是證明這兩種細(xì)菌進(jìn)行硫氧化代謝的直接證據(jù)，元素硫以顆粒形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，是其化學(xué)自養(yǎng)生活方式的關(guān)鍵特征。硫元素分布圖見圖4c, d。

 

數(shù)據(jù)來源：能量色散X射線光譜譜圖展示在圖4a, b。

 

硫化物和氧氣剖面數(shù)據(jù)（使用丹麥Unisense電極測(cè)量）：在中宇宙生態(tài)系中，使用Unisense微電極測(cè)量了有菌墊和無菌墊條件下沉積物的氧氣和總硫化物垂直分布。

 

研究意義：揭示了細(xì)菌墊如何強(qiáng)烈改變其微環(huán)境。數(shù)據(jù)顯示，有菌墊時(shí)，氧氣在墊層上方3mm處即被耗盡，硫化物濃度在墊層內(nèi)達(dá)到峰值后下降，表明細(xì)菌墊快速消耗了從沉積物深處擴(kuò)散上來的硫化物。

 

數(shù)據(jù)來源：這些關(guān)鍵的化學(xué)梯度剖面圖展示在圖6。

 

五、結(jié)論

研究得出以下核心結(jié)論：

 

發(fā)現(xiàn)新物種：在熱帶海洋紅樹林中鑒定出兩種貝氏硫細(xì)菌新種，分別屬于 CandidatusMaribeggiatoa* 和 CandidatusIsobeggiatoa* 屬。這是 Isobeggiatoa在北極和溫帶水域之外的首次報(bào)道。

代謝特征：通過能量色散X射線光譜證實(shí)了它們的硫氧化代謝能力，細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存元素硫。脂質(zhì)組成支持其系統(tǒng)發(fā)育分類。

環(huán)境相互作用：細(xì)菌墊顯著改變了其所在的微環(huán)境，消耗氧氣和硫化物，在沉積物-水界面處創(chuàng)造了陡峭的化學(xué)梯度。中央空泡的結(jié)構(gòu)暗示其可能具有利用硝酸鹽進(jìn)行厭氧呼吸的能力。

 

生態(tài)意義：這些細(xì)菌作為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)中的主要初級(jí)生產(chǎn)者，可能在硫、碳和氮的生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演重要角色，并可能支撐著復(fù)雜的食物網(wǎng)。

 

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

使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的氧氣和硫化物微電極測(cè)量的數(shù)據(jù)，在本研究中具有至關(guān)重要的意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

 

定量揭示了細(xì)菌墊的“工程師”角色：Unisense微電極的高空間分辨率使其能夠精確描繪出沉積物中毫米級(jí)的氧氣和硫化物梯度（圖6）。數(shù)據(jù)顯示，在沒有菌墊時(shí)，氧氣僅滲透到沉積物下0.5毫米，而硫化物濃度隨深度持續(xù)增加。然而，當(dāng)菌墊存在時(shí)，情況發(fā)生了根本性改變：氧氣在菌墊上方3毫米處就已耗盡，形成了一個(gè)墊上缺氧區(qū)；同時(shí)，硫化物濃度在墊層內(nèi)某深度出現(xiàn)峰值后開始下降。這直接、定量地證明了菌墊作為一個(gè)活躍的生物學(xué)屏障，極大地改變了沉積物的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，是一種典型的“生態(tài)系統(tǒng)工程師”行為。

為理解細(xì)菌的生存策略和代謝活動(dòng)提供了關(guān)鍵環(huán)境背景：貝氏硫細(xì)菌生活在氧化-還原界面。Unisense測(cè)量到的梯度表明，這兩種新物種必須適應(yīng)其墊層上方缺氧、墊層內(nèi)硫化物豐富的特殊環(huán)境。這支持了研究中對(duì)它們可能具有硝酸鹽呼吸能力的推測(cè)（以替代氧氣作為電子受體）。更重要的是，硫化物濃度曲線在菌墊層內(nèi)的下降趨勢(shì)，是細(xì)菌正在 actively 消耗硫化物的直接證據(jù)，將細(xì)菌的代謝功能與其所處的微環(huán)境動(dòng)態(tài)聯(lián)系起來。

實(shí)現(xiàn)了原位條件的實(shí)驗(yàn)室模擬與驗(yàn)證：研究中使用了中宇宙生態(tài)系來模擬自然環(huán)境。Unisense電極的測(cè)量使得研究人員能夠在受控的實(shí)驗(yàn)室條件下，驗(yàn)證原位觀察到的現(xiàn)象（如高硫化物環(huán)境）。測(cè)量到的高硫化物濃度（高達(dá)~8000 μM）甚至超過了文獻(xiàn)中在熱液噴口等環(huán)境中報(bào)道的值，凸顯了紅樹林沉積物作為極端硫化物環(huán)境的獨(dú)特性，以及這些新物種對(duì)高硫脅迫的耐受性。

 

方法學(xué)上的優(yōu)勢(shì)：與傳統(tǒng)化學(xué)分析相比，Unisense微電極能夠進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)、無損的測(cè)量，避免了取樣過程中化學(xué)梯度的破壞。其高精度數(shù)據(jù)（以μM為單位）和清晰的剖面圖，為論文的核心論點(diǎn)——即這些新物種在塑造和適應(yīng)其化學(xué)環(huán)境方面扮演著關(guān)鍵角色——提供了堅(jiān)實(shí)、直觀且令人信服的證據(jù)。

 

總而言之，Unisense電極數(shù)據(jù)不僅是描述環(huán)境參數(shù)的輔助工具，更是將細(xì)菌的生物學(xué)特性與其生態(tài)功能緊密聯(lián)系起來的橋梁。它使研究者能夠“看到”這些巨型細(xì)菌如何通過其集體活動(dòng)（形成菌墊）來改造環(huán)境，并反過來如何被其所改造的環(huán)境所塑造，極大地深化了對(duì)這些新物種在紅樹林生態(tài)系統(tǒng)中所起作用的理解。