Association of Acidotolerant Cyanobacteria to Microbial Mats below pH 1 in Acidic Mineral Precipitates in Rio Tinto River in Spain  

西班牙力拓河酸性礦物沉淀中pH1以下的微生物墊中耐酸藍(lán)藻的關(guān)聯(lián)  

來源：Microorganisms  

微生物  

 

摘要內(nèi)容：  

這篇論文首次報道了在西班牙力拓河（pH常年低于1的極端酸性環(huán)境）的酸性礦物沉淀中，發(fā)現(xiàn)與微生物墊相關(guān)的耐酸藍(lán)藻。研究通過多方法（電子顯微鏡、熒光原位雜交、免疫檢測和宏基因組分析）驗(yàn)證了藍(lán)藻的存在，并揭示了其在酸性環(huán)境中的適應(yīng)機(jī)制及其與礦物沉淀（以鈉鐵礬為主）的生態(tài)關(guān)聯(lián)。  

 

研究目的：  

驗(yàn)證在pH低于1的極端酸性環(huán)境中是否存在藍(lán)藻，并探究其生態(tài)功能、適應(yīng)機(jī)制及其在類似火星環(huán)境中的天體生物學(xué)意義。  

 

研究思路：  

現(xiàn)場采樣：采集力拓河源頭的酸性礦物沉淀層樣本（圖1）。  

 

 

理化參數(shù)測量：使用丹麥Unisense微針電極測量礦物層內(nèi)部pH，記錄溫度和光照（圖2）。  

 

 

礦物學(xué)分析：通過X射線衍射（XRD）和光譜學(xué)（VIS-NIR、拉曼）鑒定礦物組成（圖3、圖11）。  

 

 

 

 

微生物結(jié)構(gòu)與多樣性分析：利用掃描電鏡（SEM，圖4-5）、透射電鏡（TEM，圖6-8）觀察細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)；通過免疫定位（α-羧酶體蛋白）和熒光原位雜交（CARD-FISH，圖9）確認(rèn)藍(lán)藻存在。  

 

 

 

 

 

 

 

 

宏基因組測序：分析微生物群落組成及藍(lán)藻功能基因（圖10）。  

 

 

測量的數(shù)據(jù)及意義：  

pH與溫度：礦物層內(nèi)部pH穩(wěn)定在0.8，溫度約12°C（圖2）。  

 

意義：證實(shí)藍(lán)藻可在pH<1的環(huán)境中存活，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)為藍(lán)藻無法在pH<4-5下生存的觀點(diǎn)。  

光照衰減：礦物層內(nèi)650nm波長光衰減27%（圖2）。  

 

意義：礦物層過濾強(qiáng)輻射，為光合作用提供穩(wěn)定光環(huán)境。  

礦物組成：外層為石膏，內(nèi)層為鈉鐵礬（圖3）。  

 

意義：鈉鐵礬的酸性特性支持極端環(huán)境微生物的生存。  

微生物結(jié)構(gòu)與代謝基因：藍(lán)藻細(xì)胞具厚多糖膠囊、硫胺膜系統(tǒng)和羧酶體（圖6-8）；宏基因組發(fā)現(xiàn)光合相關(guān)基因（如PsaC、D2蛋白）和抗氧化基因。  

 

意義：揭示藍(lán)藻在酸性環(huán)境中的保護(hù)機(jī)制和代謝適應(yīng)性。  

 

結(jié)論：  

首次在pH<1的極端酸性環(huán)境中發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻，其豐度占微生物群落的0.46%（宏基因組數(shù)據(jù)）。  

 

藍(lán)藻通過厚多糖膠囊和抗氧化機(jī)制適應(yīng)高酸度，并與礦物層（鈉鐵礬）形成保護(hù)性微環(huán)境。  

 

該發(fā)現(xiàn)為火星類似礦物環(huán)境（如含硫酸鹽的Jarosite）中尋找生命提供地球類比依據(jù)。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense微針電極精確測量了礦物層內(nèi)部的pH值（穩(wěn)定在0.8），其意義在于：  

驗(yàn)證極端酸性環(huán)境：直接證明藍(lán)藻生存環(huán)境的pH遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)認(rèn)知的耐受極限（此前認(rèn)為藍(lán)藻無法在pH<2下生存）。  

 

揭示微環(huán)境穩(wěn)定性：礦物層內(nèi)部pH和溫度的高度穩(wěn)定（波動<12.5%），表明礦物沉淀層為微生物提供了物理化學(xué)緩沖，可能通過礦物-微生物相互作用中和局部酸性。  

 

支持生態(tài)模型：數(shù)據(jù)表明藍(lán)藻可能通過改變微環(huán)境（如分泌堿性代謝物）或依賴礦物保護(hù)（如鈉鐵礬吸附質(zhì)子）實(shí)現(xiàn)生存，為極端環(huán)境微生物的適應(yīng)性機(jī)制研究提供關(guān)鍵參數(shù)。  

 

技術(shù)優(yōu)勢：微針電極的高空間分辨率避免了傳統(tǒng)電極對礦物層結(jié)構(gòu)的破壞，確保了原位測量的準(zhǔn)確性。