Magnetotactic advantage in stable sediment by long-term observations of magnetotactic bacteria in Earth's field, zero field and alternating field  

通過趨磁細菌在地磁場、零場和交變場中的長期觀測揭示穩(wěn)定沉積物中的趨磁優(yōu)勢

來源：PLoS ONE 17(2): e0263593. 2022

《公共科學圖書館·綜合》第17卷第2期，文章編號e0263593，2022年

 

摘要內容

該研究首次通過長期實驗量化了穩(wěn)定沉積環(huán)境中趨磁細菌（MTB）的趨磁優(yōu)勢。實驗觀測兩種野生型MTB（球菌和桿狀M. bavaricum）在地磁場、零磁場及每24小時極性反轉的交變場中的種群動態(tài)。結果顯示：在零場中，M. bavaricum的平均濃度在6個月內下降約50%，但未滅絕，且恢復地磁場后種群在1.5個月內復原；球菌在零場中無明顯變化，但在交變場中幾乎滅絕。這表明趨磁行為在沉積環(huán)境中具有主動優(yōu)勢，且M. bavaricum可能因不同的趨磁機制在地質歷史磁場反轉中具備生存優(yōu)勢。  

 

研究目的  

量化沉積環(huán)境中趨磁行為的生存優(yōu)勢，探究MTB在異常磁場（零場、交變場）下的適應機制，并推斷其在地質時期磁場反轉中的演化意義。  

研究思路  

構建沉積物微宇宙：采集湖泊沉積物，在實驗室建立穩(wěn)定的化學分層環(huán)境（含氧-缺氧界面，OAI）。  

 

磁場控制：通過亥姆霍茲線圈系統(tǒng)模擬三種條件：地磁場（~44 μT）、近零磁場（≤1.5 μT）、垂直交變場（每24小時反轉極性）。  

 

長期觀測：持續(xù)6–12個月監(jiān)測兩種MTB（M. bavaricum和球菌）的種群密度及垂直分布。  

 

數(shù)據(jù)對比：分析不同磁場下MTB種群動態(tài)、深度分布變化及恢復能力。  

 

測量數(shù)據(jù)及意義  

3.1 種群密度變化（圖6）  

意義：直接量化趨磁優(yōu)勢。零場中M. bavaricum下降50%證明趨磁是其生存關鍵；球菌在交變場中幾乎滅絕，支持極性趨磁機制理論。  

 

數(shù)據(jù)來源：圖6a（M. bavaricum）和圖6b（球菌）的隨時間變化的種群密度曲線。  

 

3.2 垂直分布（圖4、5、7）  

 

 

 

意義：揭示磁場對MTB生態(tài)位的影響。M. bavaricum在交變場中雙峰分布分異（圖7a），表明其可能通過"垂直穿梭"代謝適應異常磁場；球菌分布集中于OAI附近（圖7b），交變場導致其分布范圍收縮。  

 

數(shù)據(jù)來源：圖4（M. bavaricum初始分布）、圖5（球菌初始分布）、圖7（三組磁場下的平均垂直分布）。  

 

3.3 氧氣梯度形成（圖3）  

意義：驗證微宇宙化學分層的穩(wěn)定性，為趨磁-趨氧耦合機制提供基礎。  

 

數(shù)據(jù)來源：圖3的氧氣剖面測量數(shù)據(jù)（使用Unisense微電極系統(tǒng)）。  

 

結論  

 

4.1 M. bavaricum在零場中損失50%種群但能穩(wěn)定存活，證明趨磁行為為其提供顯著生存優(yōu)勢，但非絕對依賴。  

4.2 球菌在交變場中幾乎滅絕，符合極性趨磁機制（依賴固定磁場方向）；而M. bavaricum在交變場中僅中度下降且分布改變，暗示其可能具備極性切換或代謝適應能力。  

4.3 M. bavaricum的雙峰垂直分布（圖7a）支持"代謝穿梭"假說（在淺層氧化硫、深層吸收硫），其趨磁機制可能助其度過地質時期磁場反轉。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義  

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OX50傳感器，分辨率0.3 μM）測量的氧氣梯度數(shù)據(jù)（圖3）是實驗設計的核心驗證：  

微尺度分辨率：50 μm尖端直徑可精確刻畫沉積物-水界面的氧梯度（OAI位置），證實實驗微宇宙成功模擬了自然沉積物的化學分層（OAI在14.5小時穩(wěn)定形成）。  

 

機制關聯(lián)性：氧梯度數(shù)據(jù)將MTB分布（圖4、5）與OAI位置直接關聯(lián)，為"磁趨氧機制"提供實證。例如，MTB初始聚集于OAI（圖4、5中第2–4天峰值），證明其依賴化學-磁耦合導航。  

 

實驗可靠性：梯度穩(wěn)定性（21小時后無變化）確保后續(xù)6–12個月磁場實驗中，MTB行為變化僅由磁場條件驅動，排除化學干擾。  

 

生態(tài)意義：揭示MTB在擾動沉積物中的快速響應能力（OAI到達界面后4天內MTB峰值形成），凸顯其在動態(tài)環(huán)境中的生存策略。