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，關于沉積物中生物礦物氧化的機制和重要性目前知之甚少，部分原因是難以培養礦物氧化微生物。本研究證明，電化學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。研究構建了沉積物微宇宙，并在不同受控氧化還原電位下培養電極。觀察到陰極電流產生，并隨著電位降低而增加。電極相關的生物質在次級無沉積物富集實驗中，能利用硝酸鹽和三價鐵作為末端電子受體。從電極生物質衍生的元素硫、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。計時安培分析數據表明，這些分離株在缺乏其他電子源的情況下能持續進行電極氧化。循環伏安法顯示了主導電子轉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胞外電子轉移機制的多樣性，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方法，從可能發生巖石營養反應的海洋沉積物中，培養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，并擴充可用于電化學應用的微生物資源庫。

研究思路

研究采用多階段、從環境樣品到純培養分離的電化學富集策略：

 

初級富集（沉積物微宇宙）：從卡特琳娜港采集海洋沉積物，建立實驗室微宇宙系統。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行培養，富集能夠從電極獲取電子的微生物。

次級富集（無沉積物生物反應器）：將初級富集后的電極轉移到無菌的無沉積物三電極生物反應器中，并添加不同的潛在末端電子受體，通過監測電流變化來驗證電極氧化與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，在無外源有機碳的條件下進行傳代培養，最終通過固體培養基分離純化菌株。

 

菌株表征：對分離菌株進行系統發育鑒定，并通過電化學技術（如計時安培法、循環伏安法）和掃描電子顯微鏡分析其電化學活性、電子轉移機制和形態。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

沉積物微宇宙中的電流產生：

 

數據內容：在不同施加電壓下測量陰極電流。結果顯示，電位越負，產生的陰極電流越大，在-400 mV時電流最大。

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

 

數據來源：該數據總結自 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：

 

數據內容：在無沉積物生物反應器中，添加硝酸鹽后觀察到負電流增加，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過程聯系起來。

 

數據來源：該現象展示在 圖2B中。

 

三級富集物的微生物群落分析：

 

數據內容：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。結果顯示，根據使用的電子供體不同，富集出的優勢微生物類群也不同。

研究意義：表明電化學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。

 

 

數據來源：群落組成數據總結在 表2中，系統發育樹展示在 圖3。

 

分離菌株的電化學活性：

 

數據內容：通過計時安培法驗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生負電流。

研究意義：從實驗上證實了分離獲得的微生物確實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。

 

數據來源：代表性數據見 圖5和 Supplementary Figure S4。

 

分離菌株的電子轉移機制分析：

 

數據內容：通過循環伏安法分析不同菌株的電子轉移模式，計算其中點電位。結果顯示，不同菌株甚至同一屬的不同菌株，其主導的電子轉移機制和中點電位存在差異。

研究意義：揭示了這些微生物與電極相互作用機制的多樣性，暗示其細胞外電子轉移途徑可能各不相同，為發現新穎的EET機制提供了線索。

 

 

數據來源：代表性循環伏安圖見 圖6，中點電位數據總結在 表3。

 

結論

 

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

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制與電極相互作用，顯示出細胞外電子轉移機制的廣泛多樣性。

 

該方法為擴大培養物收集、理解環境中的微生物-礦物相互作用以及開發電化學應用提供了有前景的途徑。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

在本研究中，丹麥Unisense微剖面系統被用于一個關鍵的預備性步驟，其測量數據為后續的電化學富集實驗提供了至關重要的環境背景和驗證。

 

刻畫沉積物原始化學梯度，為電極放置位置提供科學依據：在建立沉積物微宇宙并進行電極富集之前，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據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環境能夠模擬某些不溶性礦物存在的天然微環境，從而有針對性地富集目標微生物。沒有這些前期化學剖面的數據，電極富集實驗將帶有盲目性。

驗證微宇宙系統的環境真實性：在沉積物微宇宙培養期間，Unisense系統被用來監測微宇宙中的地球化學剖面。數據顯示，微宇宙中的化學梯度與天然沉積物相似，并且在不同微宇宙間保持一致。這表明實驗室建立的微宇宙系統成功地模擬了自然沉積物的關鍵化學條件，從而保證了在其中進行的電化學富集實驗具有生態學相關性，所得結果能夠在一定程度上反映自然環境中的真實過程。

 

提供否定性證據，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生顯著 abiotic 貢獻的可能性，從而強有力地支持了所觀察到的陰極電流確實主要來源于微生物的電極氧化活動這一結論。

 

總之，在本研究中，Unisense電極系統扮演了“環境偵察兵”和“質量檢驗員”的角色。它提供的高分辨率原位地球化學數據，不僅為電化學富集實驗的設計提供了關鍵輸入，確保了實驗的生態相關性，還為后續對微生物電化學活性的解釋提供了重要的環境背景證據，增強了整個研究結論的可靠性和說服力。