卤盐潮解驱动火星卤水环境中Debaryomyces hansenii的存活与生长潜力研究

《International Journal of Astrobiology》：Investigating potential Martian habitats: survival of?the?halotolerant yeast Debaryomyces hansenii in deliquescence-driven brines

本研究针对火星表面液态水不稳定但卤盐潮解可能形成生命宜居环境的科学问题，开展了卤盐耐受酵母Debaryomyces hansenii在模拟火星壤MGS-1中通过潮解作用获取水分的生存实验。结果表明D. hansenii在NaCl和NaClO3样品中存活率分别达21.9%和39.3%，并能利用潮解水进行生长，而NaClO4样品则完全抑制生存。该发现为火星氯化物/氯酸盐富集区可能存在的生命栖息地提供了实验依据，对天体生物学研究具有重要启示。

　　

在寻找地外生命的过程中，火星始终是人类最关注的星球之一。这颗红色星球虽然与地球有诸多相似之处，但其表面环境却极其严酷——低气压和冰冻温度使得纯液态水无法稳定存在。然而，科学家们发现了一线生机：火星土壤中广泛分布的吸湿性盐类，如氯酸盐(ClO₃^-)和过氯酸盐(ClO₄^-)，可以通过潮解作用(deliquescence)从大气中吸收水分，形成高浓度卤水。这些卤水由于冰点较低且蒸气压减小，可能为嗜盐微生物提供潜在的液态水来源。

那么，这种由潮解作用形成的卤水是否真的能够支持生命呢？为了回答这个问题，一支由德国柏林工业大学、GFZ赫姆霍兹波茨坦地球科学中心和莱布尼茨淡水生态与内陆渔业研究所组成的研究团队，进行了一项创新性的实验研究。他们选择了一种名为Debaryomyces hansenii的卤盐耐受酵母作为模式生物，系统评估了其在模拟火星环境中利用潮解卤水生存和生长的能力。这项研究最近发表在《International Journal of Astrobiology》上，为理解火星潜在宜居性提供了新的视角。

研究人员采用了几个关键技术方法：首先通过干燥实验评估酵母在不同盐类(NaCl、NaClO₃、NaClO₄)存在下的存活率；然后设计潮解实验装置(DES)，利用饱和K₂SO₄溶液维持98%相对湿度，模拟火星卤水形成条件；使用火星全球模拟壤MGS-1作为基质；通过菌落形成单位(CFU)计数法定量监测微生物存活与生长；并计算水含量和溶质浓度以评估环境条件。

生存率 after desiccation

研究发现，D. hansenii在干燥过程中的存活率因盐类不同而差异显著。在含有NaClO₄的样品中，酵母完全无法存活；而在NaCl和NaClO₃样品中，存活率分别达到21.9%和39.3%；无盐对照组的存活率为1.9%。这表明NaClO₄在干燥条件下对酵母具有特别强的毒性，而NaCl和NaClO₃则相对温和。

Water content and solute concentration in the deliquescence experimental setup

潮解实验过程中，所有含盐样品的水含量均显著增加，最终达到55-60 wt%，而盐自由对照组的水含量稳定在约7.9 wt%。溶质浓度计算显示，所有盐样品在实验初期即达到完全溶解状态，且随着水分的持续吸收，浓度逐渐下降，最终均低于D. hansenii的耐受阈值(NaCl: 4.0 mol/kg，NaClO₃: 5.5 mol/kg，NaClO₄: 2.5 mol/kg)。

Growth patterns in the deliquescence experimental setup

生长曲线显示，NaCl样品中的D. hansenii在潮解开始后立即进入指数生长期，无明显延滞期。NaClO₃样品中的酵母最初出现数量下降，但随后进入指数生长期，最终细胞密度与NaCl样品相当。盐自由对照组也显示出明显的生长，而在低相对湿度对照(使用P₄O₁₀作为干燥剂)中，CFU值持续下降，证明生长确实依赖于潮解提供的水分。

研究结论与讨论部分指出，NaClO₄的毒性可能源于其高溶解度(210 g/100 g水)导致的极低水活性(a_w < 0.5)、较长的浓缩卤水暴露时间以及其固有的离液性(chaotropicity)——即破坏生物大分子结构的能力。相比之下，D. hansenii对NaCl的耐受性与其已报道的盐应激响应机制有关，如三羧酸循环(TCA cycle)酶的上调、甘油合成和阳离子转运蛋白的激活。NaClO₃样品中观察到的初始生长延滞可能与其较高的溶解度和轻度离液性有关。

值得注意的是，盐自由对照组中观察到的生长表明MGS-1模拟壤本身具有一定的吸湿性，这可能源于其含有的硫酸镁矿物(如泻利盐)。然而，火星上更冷的温度和更低的相对湿度条件可能仅允许在高吸湿性盐类(如NaCl、NaClO₃和NaClO₄)存在下发生潮解，因为这些盐具有较低的潮解相对湿度(DRH)和共晶温度(eutectic temperature)。

这项研究的重要意义在于首次证明了真核细胞能够利用火星相关盐类通过潮解形成的卤水进行生长。研究结果提示，火星上以NaCl或NaClO₃为主的区域可能比NaClO₄富集区更有可能存在生命栖息地。考虑到火星陨石EETA79001中已发现较高的ClO₃^-/ClO₄^-比值(~2)，以及火星亚马逊纪高旱和富铁条件下Cl^-离子优先氧化为ClO₃^-的趋势，氯酸盐在火星宜居性研究中的重要性应得到更多关注。

当然，火星卤水通常存在于零下温度，这对生物活动提出了额外挑战，如膜流动性降低和酶失活等。未来的研究需要探索D. hansenii及其他潜在嗜冷微生物在低温卤水中的生存能力，以更全面地评估火星的宜居潜力。总体而言，这项研究为理解生命在极端环境中的适应机制提供了重要见解，并为未来火星探测任务中寻找生命迹象的重点区域提供了科学依据。