Intracellular calcite and sulfur dynamics of Achromatium cells observed in a lab-based enrichment and aerobic incubation experiment

實驗室富集和有氧培養實驗中觀察了無色盲細胞的細胞內方解石和硫動力學

來源：Antonie van Leeuwenhoek（2018年）

 

論文概述

研究了大型硫氧化細菌Achromatium細胞內方解石（calcite）和硫的動態變化，重點探討了氧氣暴露作為生理調控因子的作用。通過比較自然沉積物中新鮮采集的細胞與長時間暴露于大氣氧的細胞，揭示了方解石顆粒的形態變化、 accretion機制及其與硫氧化的耦合關系。研究強調了方解石在緩沖細胞內pH波動中的關鍵功能，為理解Achromatium的獨特生物地球化學角色提供了新見解。

1. 摘要核心內容

摘要指出，Achromatium是一種常見于淡水湖泊和潮間帶鹽沼沉積物中的大型硫氧化細菌，其獨特之處在于細胞內含有大量方解石包裹體。這些方解石包裹體被假設用于緩沖硫氧化過程中的細胞內pH變化，但其具體功能和動態尚不明確。本研究通過實驗室培養和好氧孵化實驗，發現：

 

硫的動態：氧氣暴露導致細胞內硫被氧化和移除。

方解石的動態：方解石顆粒形態隨氧氣暴露變化——暴露于大氣氧的細胞中方解石顆粒排列緊密、表面光滑、間隙狹窄；而未人工暴露于氧氣的細胞中顆粒更松散、表面凹凸不平、間隙較大。

 

耦合機制：硫氧化產生的質子被方解石侵蝕緩沖，表現為氧氣暴露后光滑、圓形的表面形態。

這些結果表明，方解石顆粒的形態變化反映了其細胞內生理功能的轉變，支持了方解石動態緩沖細胞內pH波動的假設。

 

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

揭示方解石和硫的細胞內動態：重點關注氧氣暴露作為生理控制因子如何影響Achromatium細胞內的方解石和硫的形態與分布。

驗證假設：方解石用于緩沖硫氧化（電子受體限制時耗酸的硫化氧化為硫，電子受體充足時產酸的硫氧化為硫酸鹽）導致的pH波動。

探索 accretion機制：通過高分辨率成像（如FIB）觀察方解石顆粒的層狀結構，推斷其生物控制的形成與溶解過程。

 

鏈接環境與生理：將沉積物氧化還原梯度（通過微電極測量）與細胞內化學變化關聯，闡釋Achromatium的生態策略。

 

3. 研究思路

研究采用了野外采樣與實驗室控制實驗相結合的方法：

 

采樣與孵化：從美國馬薩諸塞州Little Sippewissett鹽沼的潮間帶鹽水池（圖S1）采集沉積物和水樣。在實驗室模擬潮汐 regime，維持沉積物-水界面動態氧化還原條件。

微電極剖面測量：使用丹麥Unisense微電極（OX-100、H?S-100、pH-100）測量沉積物中的O?、H?S和pH垂直剖面（圖S2a），表征Achromatium生活的環境梯度。

細胞處理與分組：

 

新鮮細胞：白天采集后立即處理（代表自然狀態）。

氧氣暴露細胞：夜間采集后置于注射器中暴露于大氣氧12小時（模擬延長氧化條件）。

 

分組包括表層（0-4 mm）和深層（12-28 mm）沉積物來源的細胞。

 

形態與元素分析：

 

SEM-EDS：掃描電鏡與能量色散X射線光譜分析125個細胞，獲取硫鈣比（S:Ca）和元素分布（圖1-4, S3-S5）。

 

 

 

 

FIB：聚焦離子束切割細胞，觀察方解石顆粒的內部層狀結構（圖5）。

 

時間序列觀察：使用倒置活細胞系統記錄一個細胞在17小時氧氣暴露下的形態變化（Movie S1）。

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數據，其具體來源和科學意義如下：

 

微電極剖面數據（來自 圖S2a）：

 

數據：O?、H?S和pH的垂直分布（深度分辨率~1mm）。O?在表層快速消耗；H?S在深層累積（達300 μM）；pH在2mm深度出現局部最小值（7.1）。

 

研究意義：定量表征Achromatium的棲息地環境，揭示動態氧化還原梯度。pH最小值表明該層發生硫氧化（產酸），為理解細胞內緩沖需求提供背景。微電極的高分辨率是準確解析這些陡峭梯度的關鍵。

 

硫鈣比（S:Ca）數據（來自 圖1和 表S1）：

 

數據：EDS測量的重量百分比比。新鮮細胞S:Ca高（表層0.105，深層0.161）；氧氣暴露細胞S:Ca低（表層0.025，深層0.035）。

 

研究意義：直接證明硫的氧化和移除。S:Ca降低表明氧氣暴露促使硫氧化為硫酸鹽。深層細胞S:Ca更高，證實還原環境促進硫儲存。

 

SEM-EDS元素分布數據（來自 圖2, 3, S4）：

 

數據：硫信號分布于大方解石顆粒間的間隙；鈣信號集中于顆粒內；氧氣暴露后硫信號近消失，鈣信號更緊湊。

 

研究意義：可視化元素的空間分布。硫的間隙分布可能為制備假象（HMDS處理導致），但仍支持其動態性。鈣的穩定性與硫的易變性形成對比，突出方解石的緩沖角色。

 

方解石形態數據（來自 圖4, S3, S5）：

 

數據：新鮮細胞方解石顆粒表面粗糙、凹凸不平、間隙寬；氧氣暴露細胞顆粒表面光滑、排列緊密、間隙窄。

 

研究意義：揭示方解石的生理動態。粗糙表面可能表示活躍沉積（accretion），光滑表面表示溶解。形態變化響應氧化還原條件，支持其作為pH緩沖器的功能。

 

FIB層狀結構數據（來自 圖5）：

 

數據：方解石顆粒內部顯示清晰分層結構；表面可見紋層。

 

研究意義：證實方解石顆粒為生物控制的層狀沉積。支持逐步accretion機制，表明其形成受細胞生理調控，而非被動沉淀。

 

時間序列細胞熒光數據（來自 圖S6和 Movie S1）：

 

數據：17小時氧氣暴露后，細胞反射性增加36%，面積僅增2%。

 

研究意義：表明方解石形態轉變而非細胞生長。反射性增加對應表面光滑化，支持方解石溶解導致形態改變。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

氧氣控制硫動態：暴露于大氣氧導致細胞內硫氧化移除，S:Ca降低。

方解石形態響應氧化還原狀態：粗糙表面（凹凸不平、寬間隙）見于還原條件，可能與accretion相關；光滑表面（緊密排列、窄間隙）見于氧化條件，由溶解導致。

方解石緩沖pH波動：方解石溶解緩沖硫氧化產生的酸（H?），維持細胞內pH穩定。

生物控制機制：方解石沉積與溶解可能受酶調控，層狀結構表明逐步accretion。

 

生態意義：Achromatium通過調控方解石和硫動態，適應沉積物氧化還原波動，在硫循環中扮演關鍵角色。

 

6. 詳細解讀：使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統（型號OX-100、H?S-100、pH-100）被用于關鍵的環境梯度測量，這些數據在方法部分（2.2節）描述并生成圖S2a的剖面。

測量數據：Unisense微電極以高空間分辨率（~1 mm）測量了沉積物-水界面的溶解氧（O?）、硫化氫（H?S）和pH的垂直剖面，覆蓋了Achromatium細胞活躍的表層沉積物（0-4 mm）。

詳細研究意義解讀：

 

精準表征棲息地環境：Unisense微電極的毫米級分辨率使能解析沉積物中陡峭的化學梯度，這是傳統采樣無法實現的。圖S2a顯示O?在表層快速消耗，H?S在深層積累，pH在2mm深度出現極小值（7.1）。這些數據定量定義了Achromatium的微環境：細胞生活在動態界面，經歷晝夜氧化還原振蕩，為理解細胞內方解石/硫動態提供了必需的背景。

鏈接環境與生理響應：剖面顯示pH極小值層對應硫氧化區（產酸），直接支持“方解石用于緩沖pH”的假設。沒有微電極的精確測量，無法建立環境酸度與細胞內方解石溶解之間的機制性聯系。

驗證實驗設計：微電極確認了注射器儲存12小時后樣品完全氧化（O?~200 μM），確保了“氧氣暴露”處理的有效性，使S:Ca降低和形態變化的解讀可靠。

技術優勢：Unisense電極的高靈敏度、快速響應和最小侵入性使其適合沉積物這類化學異質性強的環境。O?和H?S電極的同步測量揭示了氧化還原過渡區（重疊區），這是硫氧化細菌的生態位。

超越描述性數據：微電極數據不僅是環境描述，更是解讀生理功能的鑰匙。pH極小值的存在暗示了細胞內緩沖的需求，而O?和H?S的梯度解釋了為何表層細胞S:Ca較低（更氧化）。這使研究從相關關系推進到因果機制。

 

方法論意義：展示了原位傳感技術在現代微生物生態學中的重要性。微電極提供了真實、未擾動的化學剖面，是實驗室孵化實驗的環境基準，確保了實驗結果的生態相關性。

 

綜上所述，Unisense微電極在本研究中扮演了 “環境梯度偵察器”的角色。其提供的高分辨率化學剖面不僅是描述性參數，更是解釋細胞內方解石和硫動態、驗證緩沖假設及鏈接生態與生理的核心證據。沒有這些數據，研究無法將細胞內的形態變化與特定環境條件聯系起來，結論的機制性和普適性將顯著降低。這項工作突出了微電極技術在微生物地球化學研究中的不可替代性，尤其對于生活在動態界面的微生物。