Modern arsenotrophic microbial mats provide an analogue for life in the anoxic Archean  

現代砷營養微生物墊為缺氧太古代生命提供類似物  

來源：Nature Communications Earth & Environment, (2020) 1:24

《自然·通訊-地球與環境》（2020年）第1卷第24期

 

摘要內容

 

該研究描述了智利阿塔卡馬鹽沼拉布拉瓦湖（Laguna La Brava）的永久缺氧、高砷高硫環境中的微生物墊。這些微生物墊在無氧條件下通過砷（As）和硫（S）循環進行代謝活動，并具有碳酸鹽礦化能力。其環境特征（高紫外線輻射、極端溫度波動、堿性火山源水體）與太古代（Archean）相似，因此被提出作為早期地球缺氧環境下微生物活動的現代類似物。研究通過地球化學分析、微電極剖面測量、代謝實驗和基因組學證實了完整的砷循環（As(III)光養氧化和As(V)還原），并揭示了其與硫循環的耦合機制。  

 

研究目的

 

1. 驗證永久缺氧、高砷環境中的微生物墊能否作為太古代生命活動的現代類似物。  

2. 闡明微生物墊中砷和硫的生物地球化學循環機制及其對碳酸鹽沉淀的促進作用。  

3. 通過多學科方法（地球化學、代謝實驗、分子生物學）解析微生物墊的代謝功能群與古環境的關聯性。  

 

研究思路

 

1. 站點特征分析：  

   ? 選擇智利拉布拉瓦湖的缺氧通道微生物墊（常年無氧、高砷[0.18–0.25 mM]、高硫化物[60–104 μM]）。  

 

   ? 量化環境參數（pH 7.9–8.4、鹽度60–71 ppt、季節性溫度-3.2–31.4°C、高UV輻射）。  

 

2. 微生物組成與代謝驗證：  

   ? 顯微觀察和色素分析確認主導微生物為紫色硫細菌（如Ectothiorhodospira），缺乏葉綠素a，依賴無氧光合作用。  

 

   ? 微電極剖面（O?、S2?、pH）證實水體及沉積物永久缺氧，白天亞表層（1.25–1.75 mm）出現硫化物消耗峰（光養氧化證據）。  

 

3. 砷/硫循環實驗：  

   ?  slurry實驗顯示：光照下As(III)氧化速率（58 μM h?1 mg?1 BChl a）比黑暗高10倍；添加有機碳（乙酸/乳酸）驅動As(V)還原。  

 

   ? 同步輻射（μXRF/μXANES）顯示墊表層同時存在As(III)和As(V)，證實砷氧化還原共存。  

 

4. 基因組與古環境對比：  

   ? 宏基因組檢出砷代謝基因（aioA、arxA、arrA），關聯γ-變形菌（如Ectothiorhodospira）。  

 

   ? 與太古代Tumbiana組疊層石（2.72 Ga）類比：兩者均具高砷、缺氧、碳酸鹽沉淀特征，支持砷循環在早期地球的潛在重要性。  

 

測量數據及其研究意義

 

1. 地球化學參數：  

   ? 數據：水體溫/鹽度/pH/砷硫濃度、孔隙水As（45–218 μM）。  

 

   ? 意義：確立極端環境基線，證實與太古代水文特征（火山輸入、高堿度）的相似性。  

 

2. 顯微與色素數據（圖1e, 圖2b）：  

   ? 數據：顯微圖像顯示Ectothiorhodospira-like細菌；色素分析僅檢出細菌葉綠素a（BChl a），無葉綠素a。  

 

   ? 意義：排除產氧光合作用，支持無氧光養代謝主導。  

 

 

3. 微電極剖面（圖2c）：  

   ? 數據：O?濃度（永久缺氧）、S2?（白天亞表層消耗）、pH（白天峰值9.1，夜間7.1）。  

 

   ? 意義：揭示光暗驅動的硫化物動態和堿化過程，為碳酸鹽沉淀提供條件。  

 

4. 砷/硫代謝速率（圖3a-e）：  

   ? 數據：光照下As(III)氧化速率58 μM h?1 mg?1 BChl a；有機碳驅動As(V)還原速率與硫酸鹽還原相當。  

 

   ? 意義：證實砷循環與硫循環的耦合，且砷還原比硫酸鹽還原更促進堿度上升（推動碳酸鹽沉淀）。  

 

5. 同步輻射元素分布（圖2a）：  

   ? 數據：μXRF/μXANES顯示墊表層As(III)與As(V)共存。  

 

   ? 意義：直接可視化砷氧化還原梯度，支持原位砷循環活性。  

 

6. 宏基因組數據（正文）：  

   ? 數據：檢出砷代謝基因（aioA、arxA、arrA），關聯硫氧化/還原菌群。  

 

   ? 意義：從基因水平驗證砷光養（arx）與異化還原（arr）途徑的存在，闡明代謝多樣性。  

 

結論

 

1. 現代類似物有效性：拉布拉瓦湖微生物墊是首個報道的完全缺氧、砷硫雙循環驅動的光養系統，其環境特征（高UV、溫度波動、堿性火山水體）逼真模擬太古代條件。  

2. 代謝創新：砷光養（As(III)→As(V)）與異化砷還原（As(V)→As(III)）構成完整循環，與硫循環協同支撐微生物墊初級生產力。  

3. 碳酸鹽沉淀機制：砷還原過程產生高堿度（ΔOH?/e? = -7至-10），顯著促進碳酸鹽礦化，為太古代疊層石成因提供新解釋。  

4. 古環境啟示：太古代湖泊可能依賴砷而非鐵或硫作為主要電子供體，解決早期地球氧化劑匱乏下的代謝瓶頸問題。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

測量指標：沉積物-水界面的溶解氧（O?）、硫化物（S2?）、pH剖面（分辨率毫米級）  

設備型號：Unisense針式玻璃電極（O?、S2?）與pH微電極，PA-2000皮安計記錄  

研究意義：  

1. 驗證永久缺氧環境：O?剖面（圖2c）顯示水體及墊層全程無氧（[O?] < 檢測限），排除氧氣干擾，為"太古代類似"提供核心證據。  

2. 揭示光養代謝動態：S2?剖面顯示白天亞表層（1.25–1.75 mm）消耗谷（最低60 μM），直接反映紫色硫細菌的光合硫氧化活性；夜間S2?向上擴散，證實化能營養補充。  

3. 量化代謝驅動堿化：pH剖面記錄白天亞表層峰值9.1（vs. 夜間7.1），與光養消耗H?（如2HS? + CO? → CH?O + 2S? + H?）耦合，解釋碳酸鹽沉淀的微環境成因。  

4. 支撐古環境對比：該數據重現了太古代湖泊預期的缺氧-硫循環特征，為疊層石化石中缺乏氧化鐵礦物但富砷硫的現象提供機理解釋。