微生物的原始代谢
2019-04-22

微生物的原始代谢
硫铁矿是沉积物中含量最丰富的铁硫矿物。在地质时期,其埋藏控制了大气中的氧含量和海水中的硫酸盐浓度。然而,沉积物中黄铁矿形成的机制仍在争论中。我们表明,如果代谢耦合到产生碳烷的古细菌,岩石营养微生物可以在环境温度下介导FeS和H 2 S向FeS 2的转化。我们的研究结果提供了对代谢关系的见解,这种代谢关系可以维持部分深层生物圈,并为铁硫世界理论提供支持,该理论认为FeS转化为FeS 2是生命发生的关键能量传递反应。

众所周知,微生物以几乎任何化学反应为代价生长,如果它可以提供细胞内能量ATP的一小部分。现在,来自宾夕法尼亚州莱布尼兹研究所DSMZ-德国微生物和细胞培养物收集的德国环境微生物学家团队,康斯坦茨大学和蒂宾根大学可以证明微生物可以介导硫化铁和H2S
转化为黄铁矿。 。假定该反应在原始地球上作为能量代谢的早期形式起作用。
硫铁矿,更为人所知的傻瓜黄金,是沉积物中含量最丰富的铁硫矿物。在地质时期,其在沉积物中的埋藏控制了大气中的氧含量和海水中的硫酸盐浓度。硫化铁和H2S向黄铁矿的转化也被假定为能量输送过程,以推动海洋热液喷口微室中自动催化合成有机物质。后者目前被认为是最有可能在地球上出现的生命之地。迄今为止,黄铁矿的形成被认为是纯(地质)化学反应。这里给出的新结果表明,微生物也可以在环境温度下介导黄铁矿的形成,并从硫化铁和H2S的整体转化中获得生长能量。

在排除氧气的情况下,科学家们利用硫化铁,H2S和二氧化碳作为唯一的基质,从不同的沉积物甚至废水处理厂中富集了环境微生物。在这里,黄铁矿在几个月的延长时间内与碳烷同时形成。硫铁矿的形成显示出明显的生物温度依赖性,并且与平行的碳烷形成严格耦合。所提出的结果提供了对代谢关系的见解,这种代谢关系可以维持沉积物中深埋的生物圈的一部分,并支持铁 - 硫 - 世界理论,该理论认为硫化铁转化为黄铁矿是生命的关键能量传递反应。

FeS与H 2 S形成FeS 2(黄铁矿)和H 2的exergonic反应被假定为原始地球上能量代谢的早期形式。自太古代以来,沉积的黄铁矿形成在全球铁和硫循环中起主要作用,直接影响大气的氧化还原化学。然而,沉积黄铁矿形成的机制仍在争论中。我们提出了以FeS,H 2 S和CO 2为唯一底物生长的微生物富集培养物,以生产FeS 2和CH 4。培养物在3至8个月的时间内生长至细胞密度高达2至9×10 6个细胞/ mL-1。用H的FeS的转化2 s到的FeS 2随后57的Fe穆斯堡尔谱,并在28℃下显示出与最大活性的明确生物学温度分布和朝向4℃和60℃下降低活性。CH 4与FeS 2同时形成并表现出相同的温度依赖性。添加青霉素或2-溴乙磺酸盐均抑制FeS 2和CH 4生产,表明整体黄铁矿形成与产碳烷的耦合。这一假设得到了基于16S rRNA基因的系统发育分析的支持,该分析鉴定了至少一种古菌和五种细菌。古菌与氢营养型产碳烷菌Methanospirillum stamsii密切相关,而细菌与硫酸盐还原性Deltaproteobacteria以及未培养的厚壁菌和放线菌最密切相关。我们的结果表明,黄铁矿的形成可以在环境温度下通过微生物催化的氧化还原过程介导,这可以作为假定的原始铁硫世界的模型。


FeS和H 2 S在28℃下形成的硫铁矿依赖于活性微生物。

含有5mM FeS和6mM H 2 S作为唯一底物和CO 2 / HCO 3 -作为碳源的矿物培养基接种消化的污水污泥,淡水沉积物或海洋沉积物(SI附录,表S1))并在16℃或28℃温育。通过碳烷形成跟踪微生物活性,并且每3 mo至8 mo进行转移,通常当顶部空间中的碳烷含量接近平台时。在开始的七次富集中,四次展示了超过10次转移的碳烷形成。最活跃的富集培养物J5,其从消化的污水污泥开始并在28℃温育,在超过20次转移后更详细地表征。平均而言,J5中碳烷含量达到每升培养物0.7mmol。相反,在非生物对照中未观察到碳烷形成(图1A)。这反映在总H 2 S 的周转中:在培养物J5中,总H 2随着时间的推移,S从大约6 mmol / L降低到0.04 mmol / L到1.1 mmol / L培养物(SI附录,图S1),未接种的非生物对照显示总H 2 S 下降得少得多(3.7)每L的溴残留H 2 S)。观察到的非生物对照减少可能是由于无机背景反应(见下文)