沉积的生物甲烷氧化微生物垫铁矿产

文摘

厌氧之间的syntrophic社区methanotrophic古生菌和硫酸盐还原菌形式厚,黑色层在多层微生物垫chimney-like碳酸盐结核的甲烷渗漏位于黑海克里米亚架子上。微生物的财团进行厌氧甲烷氧化,导致主要两个生物矿物的形成副产品,钙碳酸盐和铁硫化物,建立这些烟囱。铁硫化物产生的微生物还原硫氧化化合物的微生物垫。在这里,我们表明,存款额外生物铁硫化物-硫酸盐还原菌和细胞,后者在magnetosome-like链。这些链似乎稳定细胞溶菌作用后,往往附着微生物垫。粒子内的细胞碎片可能是重要的核大硫化铁矿物骨料。

1。介绍

频繁,海洋和淡水系统中生物膜的形成是伴随着降水的矿物质。这些矿物结构的综合部分微生物生物膜(1]。在大多数情况下,矿物沉淀沉积在密切接触,与有机大分子相互作用,也就是说,碳水化合物和/或蛋白质(2]。微生物生物膜形成的生物矿物可能有害的生物体主要是因为活着的生物的外壳矿物沉淀。然而,也积极的效果,例如,当岩化的沉淀提供一个矩阵或微生物生物量的脚手架,可以预期。它也被认为是有益的影响占主导地位,例如,当矿物作为化学过滤或屏蔽紫外线辐射(3]。众所周知,在某些情况下,生物大分子溶解性矿物质的影响(例如,通过缓冲溶液环境或螯合离子),可以直接形成矿物矩阵或多或少的具体方式。因此,生物矿物沉积的形状变化很大在狭窄的范围内,看似相似的环境条件4]。

矿床由微生物的活动大多是基于碳酸盐和硅酸盐(4]。这些矿物阶段经常混杂在一起与其他有机或mineralic化合物(概述(2,5])。这些有机矿质降雨雪microbialite形成的一种特殊情况在厌氧甲烷氧化(急性中耳炎)。急性中耳炎是由不同群体古生菌的代谢途径恢复甲烷生成(6]。大多数情况下,硫酸盐还原菌(SRB)参与急性中耳炎(7- - - - - -9]。SRB的作用还没有完全理解,尽管普遍认为,随着氧化甲烷、硫酸减少:(8,10]。因此,碳酸盐(方解石和霰石)和铁硫化物阶段生成代谢过程的副产品。

众所周知,急性中耳炎发生在全球缺氧沉积物甲烷和电子受体时是可用的(例如,(11])。大(几厘米和更大)的形成碳酸盐结核取决于高甲烷浓度在静水压力和硫酸的存在(8,9,12]。厌氧水柱的黑海,巨大的碳酸盐结核曾被观察到在克里米亚架子上8]。碳酸盐阻塞可能被视为高度多孔的固定床生物反应器,允许渗透甲烷和海水的交换。这些碳酸盐的外表面和内部建设是由复杂的微生物垫,主要由生物参与急性中耳炎。

在之前的调查中,不同的层在这些微生物垫被歧视。从表面上看,暴露在海水中,黑色层主要由骨料之间methane-oxidizing ANME-2集团的古生菌和硫酸盐还原菌(SRB)。SRB的垫类型常常表现出胞浆内magnetosome-like链过greigite降雨(8,13,14]。我们的研究结果暗示greigite前景是一个水槽(否则有毒)硫化物。这些粒子被发现在SRB但也存在于细胞外基质的生物膜。

2。材料和方法

微生物垫样品收集在2001年与俄罗斯R / V巡航教授Logachev甲烷渗透地区位于GHOSTDABS字段(黑海北东克里米亚大陆架)。这些样品已经被扩展的地球化学和结构分析9,14]。特定的抗体,针对methyl-coenzyme M还原酶(MCR)、(反)甲烷生成的关键酶,净化后生成的MCR是根据描述(15)的免疫兔子后建立协议(e . g。,(16),引用其中)。抗体的特异性是广泛研究了产甲烷古菌和反向产甲烷菌已经描述(14,16,17]。

微观分析,样本化学固定在4.0% (v / v)甲醛水溶液(10%,w / v,股票的解决方案,pH值8.0,刚做好的从多聚甲醛)并存储在100毫米PBS(磷酸缓冲盐,pH值7.0)在4°C到进一步使用。材料然后洗几次在PBS和削减约200的小片段μL体积。样品被化学固定在0.5% (v / v) glutardialdehyde溶液在100毫米(PBS) 2 h。(描述的样本处理18),电子和光学显微镜,最后切成超薄或semithin部分100 - 300 nm或1μ米厚。Semithin部分被转移,转移的帮助下循环,显微镜载玻片,超薄部分与Formvar-coated网格捡起。光学显微镜,部分治疗与anti-MCR抗体或与凝集素伴刀豆球蛋白(ConA)耦合的荧光标记分子(Sigma-Aldrich、Deisenhofen、德国)所描述的18]。凝集素ConA IV耦合Alexa萤石546年作为荧光标记(分子探针,尤金,或者美国)用于1/1000工作浓度稀释与1毫米CaCl PBS补充₂和MnCl₂(凝集素缓冲区)。的部分被热固定安装在玻片60°C 15分钟,然后在室温下培养30分钟。后,凝集素稀释浸泡,和纯植物血凝素的部分简要冲洗缓冲和盖玻片覆盖着。免疫荧光显微镜,heat-fixed semithin部分与抗血清(迪勒孵化。1/1000与PBS, pH值7.5)2 h。100年部分清洗三次μL滴PBS(补充0.01%渐变20)和二次孵化山羊anti-rabbit抗体,耦合Alexa萤石546荧光染料(分子探针,尤金,或者美国),稀释1:25014]。清洗步骤被重复。荧光显微镜与Axio范围进行光学显微镜使用滤波器组43 (BP: 545/25,英国《金融时报》570年,LP: 605/70)和AxioVision软件包(蔡司,哥廷根,德国)。相比之下,相衬图片拍摄,数字与荧光图像。

透射电子显微镜,超薄部分来自五个不同样本安装在Formvar-coated 300目标本网格。与抗体针对Immunolocalization MCR进行描述。安装部分与磷钨酸染色(3%,w / v),如果没有注明,(14]。电子显微镜进行了蔡司EM 902透射电子显微镜(蔡司、从、德国),配有eucentric测角仪的阶段。1 KB的数码相机的图像记录。胶体金标记物的检测和提高数字化电子显微图进行描述(19]。含铁粒子的电子能量损失谱(鳗鱼)本质上执行所述[20.V),借助分析软件包(Olympus-SIS,明斯特,德国)。电子能量损失655 eV和751 eV之间测量。L2 (720.6 eV)和L3 (708.0 eV)边缘,观察对纯铁矿产,是代表了一个宽峰大约715 eV的存款在嵌入式和超薄切割生物膜。

测角是由倾斜300海里与1度的增量部分±60度。x线断层照片进行EM3D 2.0软件包(斯坦福大学神经生物学系21])。

3所示。结果与讨论

两层微生物垫从黑海检索克里米亚架子已经被确认为重要中耳炎:橙色(或粉色)层和黑色层。橘色层由各种细胞的形态类型(8,22]。他们中的大多数被确定为ANME-1古生菌。ANME-1细胞形态类似于丝状产甲烷菌Methanospirillum和Methanosaeta;这些细胞被紧密覆盖和非常严格的蛋白质鞘(23]。硫酸盐还原菌是存在于大的集群,而不是直接接触ANME-1细胞(8]。视觉上,黑色层可以明显区别于其他层。橙色层相比,聚合形成的黑色层包含ANME-2和SRB的DSS集团(8,24,25]。MCR的免疫荧光标记,进行树脂部分,标志的位置MCR-expressing ANME-2 cauliflower-shaped总量大,内部由成千上万的细胞中可见部分(图1(一)星号,图1 (b))。类似标签的实验也表现在同一样品与抗体针对异化的腺苷′-phosphosulfate (APS)还原酶,随着各自的基因的识别微生物垫样品(14]。APS还原酶是硫酸盐还原的关键酶,可以局部magnetosome-bearing细胞类型(见下文),确认为SRB。

除了这些cauliflower-shaped总量大,也是一个小globular-shaped聚合的类型被发现(图5 - 20 ANME-2标记细胞1 (c))。这种聚合类型位于周围(图1(一)箭头)和中心的cauliflower-shaped特性。所有骨料由区域的低细胞密度。必须指出的是,并不是所有的细胞中可见部分描述标签,由于标记只绑定到细胞的细胞质暴露于表面的部分。在大类型的聚集,细胞不完全随机分布;高细胞密度在外围,可见不规则叶(图中分离1 (b)箭头)。这两种类型的聚合物包括ANME-2 / SRB财团[8,14,22]。图的电子显微图2标签然后显示ANME-2(电镜下观察)和SRB(几乎无标号)球状聚合,多层细胞外物质包围。大骨料间的缝隙充满了EPS (18]。这些差距表现出截然不同的外源凝集素标签(图3(一个)箭头),相比之下,未标记细胞外周围的ANME-2 / SRB的财团。原核细胞的各种形态类型可能会发现在这些空的空间(图3 (b)cf。14),包括薄丝几个μ米的长度和直径200纳米(箭头在图3 (b))。一些丝仍然包含一个黑暗彩色矩阵,推定地胞质内容。浅染色丝可能代表空细胞信封(数字4 (b),5(一个),5 (b))。

在这些大型cauliflower-shaped骨料,SRB表现出奇特的细胞学特征。除了偶尔观察到胞浆内的膜,细胞内magnetosome-like粒子,排成直线行和greigite组成,经常观察(8,14]。在这里,我们表明,这些链似乎稳定细胞死亡和细胞裂解后,但表现出结构的修改。在完整细胞,链排列在直排,主要为平行双(图4 (b)插图,图4 (c))。图4 (c)无污点的部分显示了磁小体链;细胞,尽管仍然存在和形态完整,是看不见的。基本上,magnetosome-like链可以观察到三种变体。这些变异可能代表三个发展阶段。(认为)早期阶段,连锁似乎缺席(图4(一))。在总体发展,生物沉积细胞内链(数字4 (b)和4 (c))。最后,生物细胞溶解,在彩色部分,发展前景和一些细胞碎片仍然存在;自由连锁仍标志着国储局的职位在聚合(图4 (d));这些存款之间的距离与磁小体链之间的距离让完整的细胞(图4 (c))。相同大小的连锁店也与细胞碎片混杂在一起的差距ANME-2 / SRB总量;他们在这里似乎连着丝状形态类型的细胞信封(图5(一个))。大多数情况下链表现出曲线和皱纹,或许是由于细胞内脚手架结构的丧失(cf。26),但也直接链是可观测的。数据5 (b)和5 (c)显示粒子的大小增加,从30 nm直径100纳米。粒子似乎连着丝状形态类型(图5 (c))。这些粒子附近发现0.5的大城市群μ米大小的微晶核(箭头在图5 (d)),类似于粒子形成黄铁矿微球粒(cf。7])。目前还不清楚如果greigite前景贡献,最后,这些晶体的形成和/或草莓状黄铁矿(例如,7,27,28]),但自由磁小体链的贡献的硫化铁矿物黑层似乎是显而易见的。特别是,原核细胞的“活性”表面信封参与绑定和积累这些粒子。图6总结我们的观察,提出了一种序列的观测特性示意图。活跃的财团可能不包含magnetosome-like连锁店开始(一个),但在大多数的总量,成熟的连锁存在((b)和(c))。这些发展前景趋化作用的参与似乎值得怀疑,因为国储局是不能移动的生物膜发展的所有阶段。粒子可能会猜测,在这种情况下,一个细胞内的“死胡同”存储颗粒,积累铁硫化物作为废物产品从硫酸盐还原(cf。29日])。可以预料到的,并不是所有的硫化合物最终减少细胞内,从其他硫酸盐还原菌众所周知,硫化物之外也沉积细胞。然而,细胞内的沉积可能也是一个快速方法尽可能低硫化物的浓度。很明显,syntrophic伙伴死和溶解(可能同时所有细胞)离开磁小体链作为可见仍然在骨料(d)。自由链(e)迁移,扩散的矩阵总绑定到一个特定类型的细胞外信封(f),和失去连锁外观和普通大小(g)。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢船员的R / V Logachev教授汉堡w·米歇利斯教授的研究小组,Jago-Submersible团队协作(j . Schauer和k . Hissmann)在深海沉积物采样巡航。作者感谢也家Peckmann (RCOM-Bremen)有益的讨论。本研究获得金融支持的一部分Bundesministerium毛皮陶冶和大幅减退(BMBF-GEOTECHNOLOGIEN-Program GHOSTDABS 03 g0559a)和德意志Forschungsgemeinschaft (DFG-Research Organo-and生物膜单元571 -地球生物学,DFG赠款665/31-1和1830/2-1)。安妮·德雷尔的奖学金支持Studienstiftung(德国人民。作者也承认支持开放获取出版基金的哥廷根大学。这是一个新闻研究中心地球生物学刊物。

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