Characterization of Fe(III)-Reducing Enrichment Cultures and Isolation of Enterobacter sp. Nan-1 from the Deep-Sea Sediment, South China Sea  

南海深海沉積物中鐵還原富集培養物的表征及腸桿菌Nan-1的分離  

來源：Journal of Ocean University of China (Oceanic and Coastal Sea Research), Volume 19, Issue 4, 2020, Pages 818-826

《中國海洋大學學報（海洋與海岸帶研究）》，第19卷第4期，2020年，第818-826頁  

 

摘要核心內容

 

研究通過富集培養從南海3915米深海沉積物中分離到一株新型鐵還原菌 Enterobacter sp. Nan-1。該菌能以水合氧化鐵（HFO）為電子受體，在高壓（0.1-50 MPa）、寬鹽度（0-60 g/L）和溫度（4-50℃）條件下高效還原Fe(III)。地質化學分析表明其來源沉積物存在活躍的鐵還原區（Fe(II)濃度2.33 μmol/L）。Nan-1的發現為深海鐵生物地球化學循環和有機質成巖過程研究提供了新模型。  

 

研究目的

 

1. 表征深海沉積物中鐵還原菌群落結構  

2. 分離純化新型Fe(III)還原菌并解析其生理特性  

3. 評估菌株對深海極端環境（高壓、低溫、高鹽）的適應性  

 

研究思路

 

1. 樣品采集與預處理：  

   ? 南海3915米深海沉積物巖心分層取樣（圖1）  

 

   ? 孔隙水地球化學分析（DO、NO??、NH??、SO?2?等）  

 

2. 富集培養與群落分析：  

   ? 以HFO為唯一電子受體建立富集培養體系  

 

   ? Meta 16S rDNA測序揭示優勢菌群（圖2）  

 

3. 菌株分離與鑒定：  

   ? 厭氧平板篩選純菌株  

 

   ? 通過16S rRNA基因序列（MK311344）和系統發育樹鑒定為Enterobacter sp. Nan-1（圖3-4）  

 

 

4. 生理特性測試：  

   ? 鹽度耐受性（0-60 g/L NaCl）（圖6）  

 

   ? 溫度適應性（4-50℃）（圖7）  

 

   ? 高壓響應（0.1-50 MPa）（圖8-9）  

 

   ? 電子供體利用能力（葡萄糖、丙酮酸等）（表3）  

 

 

 

 

 

測量數據及研究意義

 

1. 沉積物地球化學數據（圖1）  

   ? 數據：DO穿透深度16 cm，NO??穿透深度30 cm；Fe(II)峰值濃度2.33 μmol/L（25-230 cm層）  

 

   ? 意義：證實沉積物存在活躍的鐵還原區，為菌株分離提供環境背景  

 

2. 微生物群落組成（圖2）  

   ? 數據：富集培養中Shewanella（低溫）和Enterobacter（常溫）為優勢屬  

 

   ? 意義：揭示深海鐵還原菌的功能群分布規律  

 

3. 菌株生理特性（圖5-9，表3）  

   ? 數據：  

 

     ? 最適鹽度34 g/L（細胞數10.48×10?/mL）  

 

     ? 最適溫度37℃（Fe(II)產量4.69 mmol/L）  

 

     ? 高壓耐受（50 MPa下仍具活性）  

 

     ? 電子供體偏好：丙酮酸 > 葡萄糖  

 

   ? 意義：首次報道Enterobacter屬菌株的深海適應性，拓展鐵還原菌資源庫  

 

4. 高壓響應機制（圖8-9）  

   ? 數據：Fe(II)生成速率隨壓力升高而下降（0.1 MPa: 70.8 μmol/L/h → 50 MPa: 5.3 μmol/L/h）  

 

   ? 意義：揭示微生物鐵還原的酶促反應受壓力抑制的定量規律  

 

結論

 

1. 菌株特性：Enterobacter sp. Nan-1是首株具高壓耐受性的腸桿菌屬鐵還原菌，最適條件37℃/34 g NaCl/L，能利用丙酮酸高效還原HFO  

2. 環境適應性：在50 MPa高壓下仍保持活性，突破已知鐵還原菌的壓力耐受極限  

3. 生物地球化學意義：為深海碳-鐵耦合循環（如"生物碳泵"）提供新的微生物驅動機制  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

研究使用丹麥Unisense微電極測量沉積物孔隙水溶解氧（DO），其核心價值在于：  

1. 原位高精度監測：  

   ? 微米級分辨率繪制DO垂直剖面（圖1A），明確氧化還原分帶（DO穿透深度16 cm vs. NO??穿透深度30 cm）  

 

   ? 校準精度高（r2=0.99），避免采樣擾動導致的數據偏差  

 

2. 支撐鐵還原區界定：  

   ? DO數據證實鐵還原區位于缺氧層（O?耗盡區），與Fe(II)積累區深度吻合  

 

   ? 為富集培養提供關鍵環境參數（如厭氧閾值DO<0.5 mg/L）  

 

3. 機制解析基礎：  

   ? DO梯度數據驗證"微生物代謝驅動Fe(III)還原"的假設，排除非生物還原干擾  

 

   ? 定量化氧耗速率，反推有機質礦化對鐵還原的電子供給潛力