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 Fe（III）還原富集培養(yǎng)物的表征和腸桿菌屬 Nan-1 的分離

來(lái)源： Journal of Ocean University of China · August 2020

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

本研究從 南海3915米深海沉積物 中富集鐵還原菌群，以水合氧化鐵（HFO）為唯一電子受體。通過 Meta 16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序 發(fā)現(xiàn)富集菌群以 Shewanella（希瓦氏菌）和 Enterobacter（腸桿菌）為主。分離得到一株新的兼性鐵還原菌 Enterobacter sp. Nan-1，該菌株具有以下特性：

 

廣鹽性：在鹽度0–60 g/L下高效還原HFO（最適34 g/L，對(duì)應(yīng)深海鹽度）。

 

耐壓性：在0.1–50 MPa靜水壓力下持續(xù)還原Fe(III)，以葡萄糖或丙酮酸為碳源（圖8-9）。

 

 

溫度適應(yīng)性：4–50℃下均可生長(zhǎng)（最適37℃）（圖7）。

 

深海沉積物地球化學(xué)特征（圖1）顯示，菌株分離位點(diǎn)存在活躍的 Fe(III)還原帶 和微生物代謝活動(dòng)。Nan-1是首個(gè)從深海分離的耐壓腸桿菌屬鐵還原菌，為深海鐵生物地球化學(xué)循環(huán)及有機(jī)質(zhì)成巖過程研究提供了新模型。

 

 

2. 研究目的

 

1.表征南海深海沉積物中的 Fe(III)還原菌群落結(jié)構(gòu)。

2.分離純化新型鐵還原菌并解析其 生理特性（鹽度、溫度、壓力適應(yīng)性）。

3.探究菌株在深海 鐵生物地球化學(xué)循環(huán) 中的作用機(jī)制。

 

3. 研究思路

 

1.樣品采集與地球化學(xué)分析：

 

南海3915米深海沉積物巖心（260 cm）分層取樣（圖1）。

 

使用 Unisense溶解氧微電極 測(cè)定孔隙水溶解氧（DO）剖面（方法2.1），結(jié)合硝酸鹽、銨鹽等指標(biāo)建立氧化還原分帶模型。

2.富集培養(yǎng)與群落分析：

 

以HFO為電子受體，4℃和25℃下富集培養(yǎng)（方法2.2）。

 

Meta 16S rDNA測(cè)序 分析富集菌群組成（表1-2，圖2）。

 

 

3.菌株分離與鑒定：

 

純化菌株Nan-1，通過 TEM形態(tài)觀察（圖3）、16S rRNA基因測(cè)序（圖4）和系統(tǒng)發(fā)育樹分析鑒定為 Enterobacter hormaechei亞種（相似度99%）。

 

 

4.生理特性驗(yàn)證：

 

Fe(III)還原能力：檢測(cè)Fe(II)積累量（圖5）及電子供體偏好（表3）。

 

 

 

環(huán)境適應(yīng)性：鹽度（0–60 g/L，圖6）、溫度（4–50℃，圖7）、壓力（0.1–50 MPa，圖8-9）對(duì)生長(zhǎng)和鐵還原的影響。

 

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 沉積物地球化學(xué)特征（圖1）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

DO剖面（Unisense電極）：0–16 cm呈指數(shù)下降，穿透深度16 cm（圖1A）。

 

硝酸鹽穿透深度（30 cm）＞DO，硫酸鹽濃度穩(wěn)定，銨鹽在底部積累（60 μmol/L）。

 

Fe(II)峰值（2.33 μmol/L）位于25–230 cm，與低TOC、低δ13C區(qū)間對(duì)應(yīng)（圖1B）。

 

意義：證實(shí)存在 活躍的Fe(III)還原帶，為菌株分離提供環(huán)境背景；低δ13C值指示有機(jī)質(zhì)源自自養(yǎng)微生物，支持異養(yǎng)鐵還原菌的能量來(lái)源假說。

 

(2) 富集菌群結(jié)構(gòu)（圖2，表1-2）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

25℃富集：Shewanella（76.2%）、Enterobacter（23.8%）。

 

4℃富集：Shewanella（98.7%）主導(dǎo)（圖2）。

 

意義：揭示 溫度驅(qū)動(dòng)群落分化；Enterobacter在常溫富集占比較高，提示其深海鐵還原潛力。

 

(3) 菌株Nan-1特性

 

 

形態(tài)與分類：桿狀（2.1 × 0.9 μm，圖3），16S rRNA鑒定為 Enterobacter新菌株（圖4）。

 

Fe(III)還原動(dòng)力學(xué)：

 

電子供體偏好：丙酮酸＞葡萄糖（Fe(II)積累4.69 vs. 3.15 mmol/L），不利用乙酸/乳酸等（表3）。

 

還原與生長(zhǎng)同步：Fe(II)積累峰（4.33 mmol/L）與生物量峰值（1.34 × 10^8 cells/mL）均出現(xiàn)在37℃（圖5,7）。

 

環(huán)境適應(yīng)性：

 

鹽度：0–60 g/L下均可還原Fe(III)，最適34 g/L（圖6）。

 

壓力：0.1–50 MPa下持續(xù)還原，F(xiàn)e(II)積累率隨壓力升高而降低（70.8 → 5.3 μmol/L/h），53 MPa時(shí)停止（圖8-9）。

 

意義：首次報(bào)道 耐壓腸桿菌屬鐵還原菌，填補(bǔ)深海微生物DIR（異化鐵還原）功能菌株空白；廣鹽/耐壓特性使其成為深海鐵循環(huán)研究的理想模型。

 

5. 結(jié)論

 

1.新型鐵還原菌資源：成功分離 Enterobacter sp. Nan-1，為首個(gè)兼具 耐壓性（≤50 MPa）和 廣鹽性（0–60 g/L）的深海腸桿菌屬鐵還原菌。

2.生態(tài)功能驗(yàn)證：Nan-1通過氧化有機(jī)物（葡萄糖/丙酮酸）還原Fe(III)，直接關(guān)聯(lián) 深海碳-鐵耦合循環(huán)。

3.深海適應(yīng)性：菌株生理特性（溫度/壓力/鹽度響應(yīng)）與南海深海環(huán)境匹配，為解析 極端環(huán)境下生物地球化學(xué)過程 提供實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?

 

6. 丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

(1) 技術(shù)突破性應(yīng)用

 

 

原位溶解氧動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：

 

采用 Unisense Clark型微電極（方法2.1）直接測(cè)定沉積物孔隙水DO剖面（圖1A），避免傳統(tǒng)采樣導(dǎo)致的氧化擾動(dòng)。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：DO穿透深度 16 cm（指數(shù)下降），明確劃定了 氧化-還原過渡帶，為Fe(III)還原菌的富集位點(diǎn)選擇提供依據(jù)。

 

(2) 關(guān)鍵科學(xué)貢獻(xiàn)

 

 

精準(zhǔn)量化氧化還原分帶：

 

Unisense數(shù)據(jù)揭示DO與硝酸鹽穿透深度差異（16 cm vs. 30 cm），證實(shí) 分層電子受體消耗序列（O2 → NO3? → Fe(III)），符合經(jīng)典沉積物生物地球化學(xué)模型。

 

支撐菌株生態(tài)位解析：

 

DO剖面與Fe(II)積累區(qū)（25–230 cm）的空間關(guān)聯(lián)（圖1），證實(shí)Nan-1分離自 活躍Fe(III)還原帶，確立其原位生態(tài)功能。

 

(3) 研究意義

 

 

機(jī)制深度解析：

 

Unisense電極的 高空間分辨率（毫米級(jí)）捕捉DO梯度變化，將 物理化學(xué)環(huán)境（氧化狀態(tài)）與 微生物代謝活動(dòng)（鐵還原區(qū)）直接關(guān)聯(lián)，為“菌株分離→功能驗(yàn)證”提供邏輯閉環(huán)。

 

技術(shù)不可替代性：

 

相比傳統(tǒng)孔隙水?dāng)D壓法（易引入氧氣擾動(dòng)），Unisense電極的 微創(chuàng)原位監(jiān)測(cè)（響應(yīng)時(shí)間＜1秒）保障了數(shù)據(jù)真實(shí)性，是深海沉積物氧化還原研究的金標(biāo)準(zhǔn)。

 

總結(jié)

 

本研究通過 Unisense電極的高精度DO剖面，首次揭示南海深海沉積物 氧化-還原過渡帶（16 cm）的精確位置，為鐵還原菌富集和Nan-1分離提供關(guān)鍵環(huán)境背景。其技術(shù)價(jià)值在于：

 

1.環(huán)境真實(shí)性保障：Unisense避免采樣擾動(dòng)，真實(shí)反映原位DO分布，支撐后續(xù)微生物研究的生態(tài)相關(guān)性。

2.分帶模型驗(yàn)證：DO與硝酸鹽穿透深度差異（圖1A）驗(yàn)證了 電子受體消耗序列理論，深化對(duì)深海鐵循環(huán)的理解。

3.跨尺度關(guān)聯(lián)：將毫米級(jí)DO梯度（電極數(shù)據(jù)）與米級(jí)Fe(II)積累區(qū)（地球化學(xué)剖面）關(guān)聯(lián)，確立 多尺度生物地球化學(xué)耦合機(jī)制。

 

這一發(fā)現(xiàn)凸顯Unisense電極在深海極端環(huán)境微生物資源挖掘中的不可替代性，為鐵生物地球化學(xué)循環(huán)研究提供技術(shù)范式。