南极希瓦氏菌铁还原的多技术表征：火星潜在生物标志物识别的类比系统

本研究通过多技术联用（XRD/VNIR/FTIR/M?ssbauer/Raman）解析南极希瓦氏菌（Shewanella sp. BF02_Schw）在铁还原过程中产生的生物标志物（如磁铁矿、核黄素、DMS），为火星探测中矿物-微生物互作识别提供实验依据，推动极端环境生命探测技术优化。

　　

南极希瓦氏菌的铁还原机制与火星生物标志物探索

ABSTRACT
南极极端环境微生物为地外生命探测提供了理想模型。研究以南极血瀑布（Blood Falls）分离的希瓦氏菌BF02_Schw为对象，通过多技术手段解析其与水铁矿（Fh）互作产生的生物标志物，这些特征与火星湖泊沉积矿物（如磁铁矿、针铁矿）具有类比意义。

INTRODUCTION
火星诺亚纪-西方纪可能存在液态水和氧化还原梯度，为铁还原微生物（DIR）提供潜在生境。研究利用南极嗜冷菌模拟火星环境，结合任务相关技术（如ChemMin、SHERLOC），旨在建立矿物-代谢产物的协同生物标志物识别体系。

RESULTS

生长与铁还原特征
BF02_Schw在含Fh培养基（FLT）中8周后生物量达10⁸ CFU/mL，Fe(III)还原为Fe(II)伴随磁铁矿（Fe₃O₄）和针铁矿（α-FeOOH）生成。死菌对照组无此现象，转录组显示mtr基因簇（omcA/mtrCAB）表达显著上调，证实生物介导过程。

矿物转化分析

• XRD：体相分析未检测到显著变化，表明转化集中于矿物表面。
• FTIR：560 cm^-1处磁铁矿特征峰在活菌组出现，8周后针铁矿肩峰增强。
• TEM：选区电子衍射（SAED）显示2周样品含Fh和磁铁矿，8周出现针铁矿衍射环。
• M?ssbauer：仅活菌组检测到Fe²⁺双峰（δ=1.2 mm/s，ΔE_Q=2.8 mm/s）。

代谢产物鉴定

• 核黄素：UHPLC-MS检测到m/z 377.1461特征峰（C₁₇H₂₁N₄O₆），FLT组含量较LT组高3倍，与电子穿梭功能一致。
• DMS：PTR-MS在活菌头空间检测到m/z 63.71（二甲基硫醚），8周浓度达1.5 nmol/L，与dmsEFAB基因表达上调相关。

DISCUSSION
铁还原矿物（磁铁矿/针铁矿）单独难以作为生命证据，但结合核黄素（电子载体）、DMS（硫代谢副产物）等分子特征可增强可信度。研究提出未来火星任务应联合使用：

1. 原位孵育技术：延长头空间监测以捕获挥发性代谢物。
2. 多模态检测：结合XRF（如PIXL）与拉曼（SHERLOC）提高矿物-有机物共定位精度。

MATERIALS AND METHODS
实验采用海洋最低培养基（含30 mM乳酸钠/10 mM硫代硫酸钠），4℃厌氧培养。RNA提取通过TRIzol-PB缓冲液去铁，转录组采用Illumina NovaSeq测序（2×100 bp）。矿物表征通过同步辐射XRD（Rigaku SmartLab）和低温M?ssbauer（4K）完成。

创新与局限
首次在模拟火星矿物条件下证实南极菌产生DMS，但拉曼光谱受铁荧光干扰未能检测卟啉。未来需开发抗干扰原位核酸提取技术，以验证基因-代谢物关联性。