海岸盐沼中碳酸酐酶驱动碳酸盐矿物形成的Virgibacillus菌株特性研究及其环境应用潜力

为解决极端环境下微生物介导的碳酸盐矿化机制问题，研究人员从卡塔尔两种海岸盐沼（DFS和KAS）中分离Virgibacillus菌株，通过模拟自然环境的MD1、SWTr和EWTr培养基，结合CA（碳酸酐酶）活性分析与统计学建模，发现V. salarius和V. marismortui在高盐条件下表现出显著的碳酸盐沉淀能力（>100晶体/mm2）和CA活性（>0.6 mU/mL）。该研究为极端环境碳封存技术提供了新型微生物资源，成果发表于《Biochemistry and Biophysics Reports》。

　　

在全球气候变化背景下，微生物驱动的碳酸盐矿化过程因其潜在的碳封存能力备受关注。海岸盐沼（sabkha）作为典型的极端高盐环境，蕴藏着独特的微生物资源，但其介导碳酸盐形成的分子机制尚不明确。卡塔尔的研究团队选择该国两种地质特征迥异的盐沼——多哈特费沙克（DFS）和霍尔阿达德（KAS）作为研究对象，通过多学科交叉方法揭示了Virgibacillus菌株通过碳酸酐酶（CA）途径驱动矿化的新机制。

研究团队采用季节性采样策略（2022-2024年），从DFS和KAS获取沉积物样本。通过16S rDNA测序鉴定菌株，并创新性地设计三种模拟自然环境的培养基：富营养的MD1、海水基的SWTr和蒸发海水基的EWTr。关键技术包括：1) 基于p-NPA底物的CA活性定量检测；2) SEM-EDS联用分析矿物微观形貌与元素组成；3) XRD鉴定晶体结构；4) ANOVA和PCA统计模型解析环境因子与酶活性的关联。

在"3.1 细菌菌株分离与鉴定"部分，研究显示DFS菌群具有显著的特异性，V. salarius和V. marismortui仅存在于DFS，而V. dokdonensis和V. chiguensis在两地均有分布。通过"3.2 矿物形成潜力评估"发现，所有菌株在MD1中均能形成含镁碳酸盐（如高镁方解石），但仅DFS菌株在SWTr/EWTr中保持活性，其中V. salarius DFS1的晶体密度达+++级（>100晶体/mm²）。

"3.3 矿物成分分析"通过SEM-EDS揭示：MD1培养基形成含Mg的碳酸盐（如MgCO₃和Mg-CaCO₃），而SWTr/EWTr中仅生成纯CaCO₃。XRD进一步证实EWTr条件下仅生成文石型CaCO₃，暗示盐度调控晶体多态性。

关键发现体现在"3.4 CA活性作用机制"：V. salarius在EWTr（9.3% NaCl）中CA活性达0.99 mU/mL，显著高于其他菌株（p<0.05）。PCA分析显示CA活性（PC1贡献率58%）与矿物形成强度呈强相关（R²=0.95）。研究首次提出0.6 mU/mL的CA活性阈值，低于此值的菌株无法在高盐环境中有效矿化。

讨论部分阐明了环境适应性与代谢功能的关联：DFS菌株通过EPS（胞外聚合物）的Mg²⁺结合能力调控高镁方解石形成，而CA催化的HCO₃^-生成是限速步骤。该研究为理解早期白云石化（dolomitization）提供了现代参照，并证实非尿素依赖型CA途径在极端环境碳循环中的主导地位。

结论强调V. salarius和V. marismortui可作为"微生物碳泵"的理想候选，其在高盐条件下的稳定性能（CA活性保持率>80%）为开发基于盐沼的碳封存技术奠定基础。研究同时指出需通过宏基因组学进一步解析CA同工酶的进化适应机制，以优化生物矿化技术的实际应用。