古代微生物如何从环境中提取重要的金属

第三只手烈

生长期间与(Ni，Fe)S2菱形纳米颗粒紧密结合的巴氏甲烷八叠球菌菌株Fusaro的场发射扫描电子显微镜图像。用乙酸盐和甲醇作为产甲烷底物，用(Ni，Fe)S2作为镍、铁和硫的唯一来源来生长巴氏杆菌。比例尺等于2 μM。学分:应用与环境微生物学(2023)。DOI: 10.1128/aem.00991-23

（）据蒙大拿州立大学（里根·科顿）：蒙大拿州立大学科学家的一份新出版物加深了对一种古老生命形式的现有知识，以及它如何在今天继续独特的生态过程。这篇题为“产甲烷菌在镍黄铁矿的还原溶解过程中获得和生物积累镍”的论文发表在10月13日的《应用和环境微生物学》上。

该出版物的作者是埃里克·博伊德教授、前博士后研究员雷切尔·施皮茨和现任博士后研究员德文·佩恩。Boyd的实验室位于MSU农业学院微生物和细胞生物学系。

博伊德研究的一个关键要素是探索被称为产甲烷菌的微生物，这是一种至今仍存在的古老生命形式。产甲烷菌是独特的，因为它们不像大多数生物那样利用阳光来促进新陈代谢，而且它们会被氧气毒害。相反，他们的新陈代谢使用来自环境的化学物质，经常分解岩石和矿物质来完成。在这个过程中，细胞产生甲烷，也称为天然气。

Boyd说，精确定位产甲烷菌如何做到这一点可以回答30多亿年前的问题。

“早期地球没有氧气，当时的大气中含有大量的甲烷和氢气，”博伊德说。“这主要是由于这些产甲烷菌将氢气和二氧化碳反应生成甲烷。突然之间，不知什么原因，甲烷开始减少，氧气开始增加。那是大约24亿年前。那么，发生了什么？”

Boyd的新论文研究了一种特定类型的产甲烷菌，它可以从周围环境中分离和生物积累镍，利用矿物质作为营养源来支持生长。这些发现有助于区分关于数十亿年前大气甲烷减少的两种竞争假说，这可能是由产甲烷菌数量减少引起的。

博伊德说，一种假设是，不断变化的环境条件导致产甲烷菌和其他生物之间对环境资源的竞争加剧，导致产甲烷菌数量下降。另一种理论认为，早期地球上火山模式的变化导致可利用的镍减少，导致产甲烷菌渴望这种重要元素。

然而，新论文中包含的研究发现，依赖镍的产甲烷菌需要的镍比以前认为的少得多。它们积累镍的能力使得它们即使在镍缺乏的情况下也能生存。

为了进行这些观察，Boyd的研究小组在镍含量不同的环境中培养产甲烷菌，观察它们对不同条件的反应。通过测量微生物产生的甲烷量，他们能够估计产甲烷菌的生长和存活情况。利用各种光谱技术，研究小组可以确定这些电池储存了多少镍。

Boyd研究产甲烷菌已经将近20年了，这是他在MSU大学攻读博士期间开始感兴趣的一个探索方向。在那段时间的大部分时间里，他的工作得到了美国国家航空航天局的资助。

“生命起源时，没有光合作用。支持生命的都是基于矿物的能量，”他说。“突然间，我们偶然发现了这一发现，这本质上是微生物以一种原本不可能的方式获取矿物质并还原它们。大多数时候，矿物会被氧化，产生酸性矿井水，但这一过程不会这样。”

Boyd说，更好地理解“生物采矿”过程可以让人类开发对环境影响较小的采矿技术。这篇新论文中的发现代表了朝着这一可能性的又一科学进步。

博伊德说:“我认为这篇论文有三个特别之处。“一是我们证明了细胞可以从矿物质中获取镍，这是以前没有发现的。第二，他们可以在极低的浓度下获得它。他们不需要太多，这违背了传统的想法。第三是他们积累它，这是有意义的。如果你非常依赖某样东西，而这些虫子又非常依赖镍，那么它们已经找到了某种方法来确保未来有足够的镍。”

虽然科学概念和研究过程极其复杂，但博伊德说，这项工作的更大意义非常简单，直接关系到地球如何成为其他生命形式并最终成为人类的可居住环境的永恒问题。正如生命起源研究中经常出现的情况一样，新的进展提出了新的问题，导致了持续的探索。

“理解是什么驱使这种转变远离甲烷大气是至关重要的，”他说。“如果这种过渡状态没有发生，你和我就不会在这里谈论它，因为我们需要大气中的氧气。从某种意义上说，理解环境的过去以及它是如何改变并允许复杂生命进化的，这不仅是理解我们如何来到这里，也是理解我们将走向何方的核心。”