天体生物学的领域活动Volcanosedimentary火星模拟甲烷生产地下保护生态系统:Imuruk湖(阿拉斯加)

文摘

海盗任务报告不利条件生活在火星表面。高氢信号通过火星轨道器增加了兴趣地下勘察作为公认的保护火星环境与生活的潜力。冻土已经吸引了相当大的兴趣从一个天体生物学的观点由于火星探测车最近报道的结果。相当多的研究已经发展极端生态系统尤其是冻土,火星上存在生命的可能性进行评估和测试太空任务的具体生活自动化检测仪器。冻土位于白令海峡大陆桥的生物多样性国家保护研究的一个例子地下保护利基的天体生物学的兴趣。不同的传统(浓缩和隔离)和分子生态学技术(克隆、荧光“原位”探针杂交、鱼)用于分离和细菌鉴定。

1。介绍

由于报道火星表面环境条件(1](氧化应激,紫外线辐射水平高,等等)的可能性生活在这颗红色星球的表面非常小。确定火星地下的水冰的热发射光谱仪上火星奥德赛(2)和高能中子探测器(3)具有重要的天体生物学的内涵(4),因为除了水的潜在来源,这些位置是屏蔽的栖息地在恶劣条件下现有的地球,像紫外线辐射5,6]。

一些作者已经讨论了地球和火星之间的相似性冻土(7)和结构为地下生态系统起到保护作用[8]。

Chemolithotrophic微生物有能力使用无机化合物,比如减少矿物质,作为能量来源的代谢在隔离环境中地下。这些微生物和环境吸引了相当大的兴趣从一个天体生物学的观点。场活动需要更好地了解地球上的永久冻土生态系统评价的可能性,生命可能在火星上开发这些类型的结构。冻土在地球上位于环极纬度。特别有趣的是冻土在火山地区由于火星地质[他们的相似之处9]。

未来发展的想法的仪表自动化远程生命探测系统在永久冻土,考察中被认为是三个主要目标:(1)冻土定位和描述地球物理技术和钻井;(2)微生物多样性分析,更深的一部分列上有特殊兴趣,最古老的永冻层的一部分;定义模式保护生物特征在寒冷环境的非凡的天体生物学的对未来的火星任务;(3)理解寒冷冻土生态系统功能模型,以促进环境检测和映射来实现新仪器检测和冻土环境生活的映射(或过去生活的生物化学示踪剂)可能被保留下来。这些新技术将特殊利益的未来自动天体生物学的火星任务。

未来的太空任务将集中在寻找火星地下的生活。新技术和新方法来研究这些假定的栖息地需要开发(7]。

2。材料和方法

2.1。Imuruk湖活动

我们发现一个有趣的火山区域与该地区冻土Imuruk湖(阿拉斯加)。探索活动是在2005年7月开发研究区域的地质微生物学。Imuruk湖位于65.6°N, 163°W。这个地区是一个火山区域在白令海峡大陆桥国家保存(图1)。

2005年的竞选是在湖的东部开发的,宁录山附近。以前的地质研究[10该地区已报告。该地区的特点是火山形成玄武岩组成。一些玄武岩熔岩流。在岩浆结构有两个覆盖不同的组成:第一个是风吹淤泥层和第二个是泥炭封面顶部。可以找到一些中间梯田在山与沉积材料。

北极冻土特征区域被选中。野外露营在白令海峡大陆桥发达国家保护(图1)。冻土是局部使用地球物理探测技术在几遍历行Imuruk湖地区。选择一个特定的地方取样和钻孔四米深钻探取样的土壤柱。表面活性层和子序列冻土在几个采样深度。样本使用互补技术用于生物多样性的决心。

2.2。地球物理研究

Syscal孩子Switch-24设备用于电气测量电阻率层析成像(ERT)。十三的平行线Imuruk海岸的山湖Imuruk形成被完成。每个导线长48米,使用2米每一对电极之间的间距。行之间的空间是15米左右,根据地形的困难解决电线。ERT数据结果表明,冻土研究区域的平均深度0.50米的表面,有时甚至浅。泥炭的存在材料的顶部地层柱状图作为绝缘体层,保持较低的温度低于非常有效。ERT调查显示发生的两个单位,一个上一个较低的电阻率由泥炭和泥沙水解冻,垂直异构由于多边形地形的结构,和较低的高电阻率与淤泥冻土材料的发展有关。低电阻率的变化在这个单位表明,冻土南部液态水含量高和厚度的减少对研究领域的核心部分基本可以位于约6米深度。相比之下,冻土在北方区包含一个小体积的水和/或达到一个更大的厚度。

2.3。地层柱状图

温度记录在核心取样表明冻土深度约30厘米,但层析数据表明,冻土开始在平均深度0.50米的表面。层析后日期解释选择的地方钻。

便携式钻井系统是用于地层在不同深度和取样。开襟羊毛衫e - 400燃料的系统是用于核心检索。坑的尺寸是0.5长,直径50毫米。坑可以联合彼此获得最大深度4 m的核心。微生物在层析第11行核心进行了研究。最大深度钻是3.6米。

2.4。矿物学

矿物的确定核心样品用偏光显微镜、x射线衍射等分析。岩石学和光学矿物学决心通过偏光显微镜。偏振光显微镜用于岩石和土壤样本的详细描述。超薄部分准备矿物学分析。土壤的微妙的性质要求小心薄片样品制备,以避免结构性破坏和瓦解。水从土壤中删除。样本通风,直到实现恒重,然后干电炉在40°C 48小时。土壤是封装和合成树脂浸渍IU30真空浸渍单元(Alogitech有限公司)。树脂是治愈后,样品被修剪GTS1截止看到(Alogitech有限公司)。非水溶液用作冷却剂,以免破坏土壤。 Samples were polished on both faces under load in a conditioning ring on a LP50 Auto Lapping Machine system (Alogitech co.). When polishing was complete, the rock chips were mounted, polished side down, on a prepared glass slide, thinned, and lapped to 25–30 μm。此后,搭接部分抛光使用PP5精密抛光夹具在软金属板所需的最后的厚度,不到13μm。

x射线衍射:样品矿物成分是通过x射线衍射分析。XRD进行使用PANalytical X 'Pert PRO MPD系统(PW3040/60) (PANalytical帐面价值、荷兰)和铜Kα辐射(λ= 1.542)和发散狭缝1°。x射线发生器将加速电压30 kV和灯丝发射40 mA。3°(2之间的样品进行扫描θ)和40°(2θ)使用0.008°(2的步长θ)和2 s轨道的计算时间。数据收集使用X 'Pert数据收集器和使用X 'Pert数据查看器查看(PANalytical帐面价值、荷兰)。完整紧凑样本直接放置在平坦的铝样品架。紧凑的粉样品挤在一个标准的铝样品架和测量校准样品一样。

2.5。元素化学分析

样品的元素成分(碳、硫、氢、氮同步组成百分比)是由微观分析。这个技巧在于样本的总氧化的完全燃烧转换样品燃烧产品有限公司₂H₂O, N₂,所以₂。一个元素分析仪LECO中文- 932用于最终气体产品和样品化学成分的决心。

阳离子成分的样品由ICP-M决定。样品(100毫克)称重准确PFA船,和2毫升的高频(46%)是补充道。这艘船封顶,反应混合物被允许在室温下为5 - 6小时。该仪器用于这项工作是一个电感耦合等离子体质谱仪,VG PlasmaQuad 3 (VG元素,温斯,柴郡,英国)。

2.6。微生物多样性研究

从ERT研究一个特定的地方选择几个深处钻探和取样。永冻层表面的距离是钻井的标准选择。几个核心深处选择微生物分析(表1)。一些冰的口袋被发现在第11行(图2)。从每一个核心深度选择采样两个整除被使用:第一个直接媒体接种和第二个杂交分析。在第二种情况下,第一步是解决甲醛样品尽快为了维持微生物种群的结构没有任何改变。这些固定样本送到实验室进行进一步的处理和DNA探针杂交不同的特异性(物种,属,和门)。

使用三种不同的微生物种群分析方法:(1)媒体接种微生物富集。三种不同的媒体选择微生物增长:chemolithotrophic媒体(NaNO₃:1.5克;K₂HPO₄:37.5毫克;MgSO₄h·7₂O: 37.5毫克;Na₂有限公司₃:20毫克;CaCl₂h·2₂O: 25毫克;Na₂SiO₃h·9₂O: 58毫克;柠檬酸:6毫克;蒸馏水999毫升,1毫升的金属溶液,pH值调整到2.3(金属解决方案组成:1:1蒸馏水+ Na₂EDTA: 0.750克;FeCl₃h·6₂O: 97毫克;MnCl₂h·4₂O: 41毫克;ZnCl₂:5毫克;CoCl₂h·6₂O: 2毫克;Na₂MoO₄h·2₂O: 4毫克)富含铁、亚铁异养有机媒体(酪蛋白胨胰蛋白酶的消化:10 g;酵母提取物:5克;葡萄糖:5克;生理盐水:5克;蒸馏水:1000毫升,pH值调整到7.2 - -7.4)和一个特定媒体(NH基厌氧₄)₂所以₄,132毫克;K₂阿宝₄:41毫克;MgSO₄h·7₂O: 490毫克;CaCl·2 h₂O: 9毫克;氯化钾:52毫克;ZnSO₄h·7₂O: 1毫克;CuSO₄h·5₂O: 2毫克;MnSO₄·H₂O: 1毫克;NaMoO₄h·2₂O: 0.5毫克;CoCl₂h·6₂O: 0.5毫克;Na₂搜索引擎优化₄h·10₂O: 1毫克;NiCl·6小时₂O: 1毫克;蒸馏水:1000毫升,pH值调整到1.9)富含不同能源(甲醇、甲酸、蛋白水解和挥发性脂肪酸)。增长之后,光密度在580 nm WPA光波分光光度计。定性值增长分配取决于生长曲线的斜率。增长后,微生物种群被16 s rRNA扩增的DNA鉴定,克隆和测序。(2)荧光”原位“与特定DNA探针杂交技术(鱼)是用于微生物鉴定。本研究中使用的DNA探针具体细菌和古生菌域,阿尔法-、β-、gammaproteobacteria子类,CF (Cytophaga-Flavobacterium集群)和HGC (G + C含量高细菌集群)特定群体调查。样本直接固定在球场上用甲醛(4% v / v)和孵化在4°C 2 h。孵化后,样本与PBS和过滤清洗两次。过滤器是在冷冻条件下存储在PBS-ethanol (1:1)。几个样本深度为进一步分析选择不同DNA特定的探测。细胞密度与显微镜由细胞计数。过滤器是干燥和低温保持直到在实验室进一步处理。(3)16 S rDNA扩增,克隆和测序。DNA提取的商品化试剂盒很好适合自然土壤样本,FastDNA旋转设备101年土壤生物(Q-BIOgene)被用于这项研究。PCR,通用引物序列完整的16 s rRNA基因(大约1492个基点)使用(11]。PCR反应的混合物是10 x PCR缓冲(5μL)核苷酸(2.5毫米)(5μL), BSA(3毫克毫升⁻¹)(5μL), 50 pmol底漆(0.5μ50 pmol反向引物(0.5 L)μL),目标DNA (1μL(大约100 ng)), Taq DNA聚合酶(5 Uμl⁻¹)(0.5μL)和Milli-Q水最后一卷50μl

PCR反应步骤1的循环5分钟在95°C, 35周期(1分钟在95°C, 1分钟。在46岁°C(用于细菌引物)或52°C(古生菌引物)和3分钟在72°C), 1周期(1分钟在95°C, 1分钟55°C, 10分钟在72°C)最后4°C常数。

16 s rRNA基因克隆是通过使用商业套装pGEM-T pGEM-T简单向量系统(Promega)和TOPO-TA克隆工具(表达载体)克隆基因的大小。

质粒的提取进行了使用商业工具包向导+ SV Minipreps DNA净化系统(Promega)。

PCR产物直接测序与染料终结者循环测序工具包(1.1 Big-Dye测序设备,应用生物系统公司)按照制造商的指示。获得的序列对齐到16 s rRNA的序列从国家生物技术信息中心数据库的搜索。自动搜索序列相似性。

3所示。结果与讨论

13横断面沿宁录希尔被选为电阻率层析成象研究。13断层线。不同的电阻率值的存在,在不同深度的确定存在的几个单位。典型的电阻率值的坑,沉积单位记录。断层扫描图从13行获得用于冻土本地化(图3),确定钻井点(垂直的箭头在图3)和微生物的采样深度分析。采集标本30厘米,1米,1.5米,2.1米,3.1米和3.6米。从每个样本两个整除。

3.1。T11地层柱状图

T11的核心,从ERT第11行钻,在深度3.6米。在泥炭,褐色淤泥与有机物被观察到3.0米。沙子的淤泥由石英组成,来自周围的花岗岩类岩石,和斜长石,而细分数是由斜绿泥石,montmorionite,伊利石和蛭石是由XRD决定。从这里到核心底材料的淤泥,几乎免费的有机物质。在这个核心,碳的浓度最大的峰值26%至0.55米,但它随深度(图4)。泥炭应该在0.6结束。淤泥从0.6到2.5 C,平均7%,从2.5到3.6 m,绿色淤泥C平均1.6%。H的趋势,N,相关与C和S是好,除了在3 m S有一个积极的异常(图4)。

可溶性阳离子(钠、镁、钙、和K)是好指标冻土活动层的波动。这些元素是动员当液态水的存在,他们都集中在冰表。T11核心缺乏数据从上层厘米这行为不注册。T11的数据显示一个积极的异常在1.1米和2.6米。1.1异常主要是由于钠和钾之间的关联,这比做浓缩有关长石组成的沉积物。在2.6 m异常,所有四个阳离子贡献,与淤泥的矿物学的变化。

3.2。微生物多样性

在大多数的媒体观察微生物的增长。表1显示了结果获得接种媒体72 h后孵化12°C(−:没有增长;±:更少的增长;+ + +:非常增长;气体:指示天然气产量在增长)。

菲^{2 +}:基底媒体丰富与二价铁在有氧条件;Het。:丰富的媒体文化异养细菌在有氧条件下;P:媒体富含蛋白胨和酵母提取物的蛋白水解细菌和厌氧条件下培养;M:甲醇丰富媒体在厌氧条件下;F:甲醛丰富媒体在厌氧条件下;VFA:挥发性脂肪酸(C2 + C4)在厌氧条件下丰富的媒体。

最有效率的增长(表1)获得了使用异养媒体在有氧和无氧条件下接种样本的列。没有明显的深度和细菌生长之间的关系,表明可行的细菌存在沿列,深处。Chemolithotrophic媒体产生低效率的增长表明化能无机营养物不在大量这些生态系统。相反的是观察异养微生物的有氧和无氧的代表。不同的微生物存在于Imuruk湖冻土由于不同的媒体给了正增长。T11-1样本的情况下,经济增长在异养媒体在有氧条件下和基底在厌氧条件下富含蛋白胨+酵母提取物,甲醇,甲醛和挥发性脂肪酸。在媒体上也有天然气生产富含蛋白胨和酵母提取物,和浓度。这些文化接种T11-1用于样品总DNA提取、扩增、克隆和测序的基因(表16 s rRNA2)。天然气产量与产甲烷细菌的存在可能是相等的(12]。扩增、克隆和测序的16 s rRNA证实了这一观察。

16 s rDNA放大从DNA提取文化允许识别的成员的存在Psychrobacter属(表2)。同时,一些成员的存在丙酸菌属属被确认,以厌氧生长利用脂肪酸能量吸收与丙酸的生产。

一些无教养的南极海水代表也被16 s rRNA测序。

从几个深度土壤样本和硬币或属特定DNA探针杂交并与通用染色(DAPI)细胞计数和细胞密度评价列。图3显示了一个普遍的彩色样本的微生物制备层析第11行获得的深度2 m细菌计数由光学显微镜用于细胞密度量化。图5显示了人口梯度(细胞/ gr的土壤)与深度。

在弗罗斯特土壤活性细菌的存在是由鱼技术(图6)。杂交的RNA探针完成16 s rRNA,因此只有活性细菌,有时uncultivable,可以检测到。这种技术需要固定样本抽样的时候确保16 s rRNA分子人口的生存能力。

人口梯度沿核心(图5)是由彩色样本30厘米的直接计算,1米,1.5米,2.1米,3.1米,3.6米的深度。杂化和样品属和组特定DNA探针被数来评估相应比例的细胞群(图6)。

细菌密度随深度降低(图5)与冻土模型一致。夏季一个活跃层发展第一50厘米横截面的地壳和土壤成为完全霜这个深度的下降。这个活跃层发展人口密集活跃的细菌,减少在冬季由于降低温度。冻土模型一致周围细菌密度较低的磨砂土壤。一个有趣的结果是活性细菌在50厘米深的位置。16 s rRNA测序结果证实存在Psychrobacter将军代表确凿文化实验的结果和潜在的活性微生物的识别的磨砂层土壤。

细胞密度随深度降低;细菌数量降低深度降低,冻土环境的恶劣条件下的结果。但不仅是减少细菌数量的这些实验报告的数据但事实,一些微生物组发现的列(图6)。每组的百分比随深度。在第一次50厘米的土壤主要微生物种群是由列细菌。这种类型的微生物的存在与深度不断减少。在域的成员古生菌在较低的上部列但人口增加与深度。

古生菌鉴定了媒体T11-1 P和T11-1 VFA(表2)密切相关和acetoclastic hydrogenotrophic产甲烷菌([13)提交给基因库在2003年加入AJ606292)。

冻土微生物的生存能力是检验样本接种的增长后,媒体和文化。图7显示了好氧异养细菌准备从媒体接种T11钻孔深度为3.6米的样品。每一个代谢组的量化细菌(图8)是由比较的总细菌沾染了通用DAPI染色(图7(一))和阳性杂交信号与特定DNA探针(图组7 (b))。

4所示。结论

我们正在研究冻土Imuruk湖火山地区从一个天体生物学的角度(阿拉斯加)。冻土像这样的研究将有助于行星探索和行星数据解释,因为他们工作作为一个基本环境参考(1)定义的保存模式生物特征在寒冷的环境中,可用于未来的太空探索任务,(2)开发新的仪器检测的生活原位和远程,(3)开发新的仪器来检测和冻土环境生活的映射(或过去生活的生物化学示踪剂)可能被保留下来。

一个复杂的代谢网络已被确定在列的冻土研究区域。从表面完全隔离厌氧生态系统活跃其互补部分之间的相互关系。从有氧它们到厌氧产甲烷古菌,每个元素中扮演一个重要的角色在集成的复杂网络。一个有趣的梯度沿列与温度和氧浓度被确认。丰富的细胞每毫克的样本被检测到的第一个60 - 70厘米列(冻土活动层)。因此,原位杂交和代谢分析一个活跃的微生物层检测到第一个60 - 70厘米。与特定的16 s rRNA探针杂交报道大量的微生物的存在细菌域的上部列,与更高的温度达到一致在这个深度在夏天。相比之下,更深层次的样品给减少细菌域的数据成员的细胞密度古生菌开始成长。从2.1米深度3.6米古生菌是最丰富的。它与在这个深度土壤是永久冻结。生产的气体和识别的热点相关序列T11-1浓缩文化全等与产甲烷的存在古生菌并与冻土模型(图8)。

这些跨学科领域运动需要为了获得更好的理解同欢笑极端生态系统重要的天体生物学的影响。有两个主要的问题是很重要的对未来的解释报告结果从太空天体生物学的任务:生命的极限的定义的理解生态系统的功能模型。自动化工具的开发和测试应用程序在未来太空任务是另一个重要组成部分的运动。

结果报告摘要全等公认的生态系统从表面完全隔离,防止可能的恶劣气象条件与甲烷的生产。检测这种类型的生态系统在永冻层增加了可能存在的生活在火星等行星,特别是在火星大气中甲烷的检测火星快车行星傅里叶光谱仪(14]。

确认

支持的远征Imuruk湖是Centro de Astrobiologia-INTA(西班牙)。实验室实验过程是由格兰特阿雅2010 - 20213“Desarrollo de la identificacion Tecnologia para de维达德福马自动化”从西班牙政府。作者感谢白令海峡土地保护员工(美国国家公园)为他们的帮助,尤其是对克里斯年轻INTA博士和胡安Perez-Mercader帮助在竞选期间和以后的实验工作发展。

引用

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