铁氧化微生物利用固态矿物的电子供体机制研究

本研究揭示了铁氧化细菌（FeOB）利用固态矿物作为电子供体的机制，为理解微生物在地质循环中的作用提供了新视角。

　　铁是地球上最丰富的元素之一，但大多数铁以矿物形式存在。铁氧化细菌（FeOB）能够利用溶解态的二价铁（Fe²⁺）作为电子供体进行生长，但对于它们是否能够利用固态矿物中的铁，以及如何利用，一直缺乏明确的证据和机制研究。本研究以一种名为Sideroxydans lithotrophicus ES-1的铁氧化细菌为模型，深入探讨了其利用固态磁铁矿（Magnetite，一种常见的含铁矿物）作为电子供体的能力和机制。 研究背景部分指出，微生物与矿物的相互作用在自然界中极为普遍，它们不仅将矿物作为生存的表面和营养来源，还能通过氧化或还原矿物来获取能量。铁氧化细菌通过将铁从较低的氧化态（如Fe²⁺）氧化到较高的氧化态（如Fe³⁺）来获取能量，这一过程对于理解地球早期生命演化和现代环境中的铁循环具有重要意义。然而，大多数关于铁氧化细菌的研究都集中在它们对溶解态铁的氧化能力上，而对于它们是否能够直接利用固态矿物中的铁，以及这一过程涉及的机制，知之甚少。 在研究方法部分，研究人员首先对不同类型的磁铁矿进行了详细的表征，包括其粒径、结晶度和溶解性。实验结果表明，新鲜合成的磁铁矿具有较小的粒径和较低的结晶度，因此溶解性较高，能够释放出较多的溶解态Fe²⁺；而商业磁铁矿则具有较大的粒径和较高的结晶度，溶解性较低。研究人员利用这些不同特性的磁铁矿，模拟了自然界中不同环境下铁氧化细菌可能面临的铁源情况。 实验结果显示，S. lithotrophicus ES-1能够在所有类型的磁铁矿上生长，并且随着培养时间的延长，细胞数量显著增加。这表明该细菌能够利用磁铁矿中的固态铁作为电子供体进行生长。进一步的分析发现，在含有磁铁矿的培养体系中，溶解态Fe²⁺被迅速氧化，而在没有细胞的对照组中，溶解态Fe²⁺的氧化速度则相对较慢。这说明S. lithotrophicus ES-1能够加速磁铁矿中溶解态Fe²⁺的氧化过程。此外，研究人员还通过测量磁铁矿中Fe(II)/Fe(III)的比例变化，来评估细菌对固态磁铁矿的氧化作用。结果显示，在含有S. lithotrophicus ES-1的培养体系中，磁铁矿的Fe(II)/Fe(III)比例随着时间的推移而降低，表明细菌能够氧化固态磁铁矿中的铁。 为了深入探究S. lithotrophicus ES-1利用固态磁铁矿的机制，研究人员进行了定量蛋白质组学分析。结果表明，在磁铁矿培养条件下，与铁氧化相关的蛋白质表达发生了显著变化。特别是多血红素细胞色素（MHC）MtoA和外膜孔蛋白MtoB的表达仅在磁铁矿培养条件下被检测到，而在溶解态Fe²⁺培养条件下则未被检测到。这表明MtoAB复合体可能在S. lithotrophicus ES-1利用固态磁铁矿的过程中发挥关键作用。此外，研究人员还发现了一组含有铜蓝蛋白结构域的蛋白质在磁铁矿培养条件下表达上调，这些蛋白质可能也参与了固态磁铁矿的氧化过程。 在讨论部分，研究人员指出，本研究不仅证实了S. lithotrophicus ES-1能够利用固态磁铁矿作为电子供体进行生长，而且还揭示了其可能的机制。MtoAB复合体的表达模式表明，它可能专门用于固态铁的氧化，而与溶解态铁氧化相关的Cyc2铁氧化酶则在所有培养条件下均被高表达。这表明S. lithotrophicus ES-1可能具有一套复杂的机制来适应不同形式的铁源。此外，研究人员还讨论了多血红素细胞色素（MHC）在铁氧化过程中的潜在优势，例如其能够跨越细胞膜与矿物进行电子转移、具有广泛的氧化还原电位范围以及能够作为电子存储器等功能。这些特性使得MHC在铁氧化细菌利用固态矿物的过程中具有重要的作用。 本研究的意义在于，它不仅扩展了我们对铁氧化细菌利用铁源能力的认识，还为理解微生物在地质循环中的作用提供了新的视角。铁氧化细菌通过氧化固态矿物中的铁，可能在地球早期的氧化过程中发挥了重要作用，并且在现代环境中，它们也可能参与了铁的生物地球化学循环。此外，本研究还为开发新的生物技术应用提供了可能性，例如利用铁氧化细菌进行矿物的生物修复或资源回收等。 总之，本研究通过对S. lithotrophicus ES-1在不同铁源条件下的生长和蛋白质表达分析，揭示了其利用固态磁铁矿作为电子供体的能力和可能的机制，为铁氧化细菌的研究领域提供了新的见解和方向。