ISME∣无需光驱动的，电营养型混合菌群催化的锰氧化沉积

“ISME∣无需光驱动的，电营养型混合菌群催化的锰氧化沉积”

文献信息：

Lingyan Huang, Xing Liu，Christopher Rensing , Yong Yuan , Shungui Zhou and Kenneth H. Nealson

https://doi.org/10.1038/s41396-022-01335-3

ISME 影响因子：11.0

背景介绍

在氧气出现之前，微生物氧化锰用以维持代谢，这一过程被称之为厌氧微生物锰氧化过程（Anaerobic Microbial Manganese Oxidation，AMMO）。之前的研究，在严格厌氧条件下证明了一个光能驱动的AMMO过程，这为解释有氧光合作用的演变提供了新的线索。然而，在黑暗的地质环境中，AMMO过程是否可行仍未可知。

在这里，作者利用Rhodopseudomonas palustris和Geobacter metallireducens构建了混合菌群，并利用菌群证明了AMMO过程无需光驱动。透射电子显微成像证明了混合菌群中形成了不溶的颗粒。相反，两种菌株各自单独培养的体系中均为出现颗粒。利用XRD和XPS证明了该颗粒为MnO2和Mn3O4的混合物。这一现象证明，Mn(II)的氧化是通过双菌间电子转移作用完成的。

自由基猝灭和同位素实验表明，在混合菌群中由R. palustris解离H2O产生的羟基自由基（•OH）参与了Mn（II）氧化。这些发现提示了一种新的、共生依赖且无需光驱动的AMMO过程，对氧化光合作用的演变和太古地球及现代地球上锰的生物地球化学循环具有潜在重要性。    

图文解读

图1. G. metallireducens和R. palustris构成的电互养混合菌群，可形成锰氧化物。

A 加入或未加入MnCl₂条件下，混合菌群的颜色。

B-D 加入MnCl₂条件下，混合菌群的电镜图像，细胞内部(B)、细胞表面(C)、细胞纳米线周围(D)存在不溶性颗粒。

E 不溶性颗粒的原始图像。

F-G Mn元素(F)和O元素(G)的分布图。

H-I 透射电子显微图像显示的不溶性颗粒的晶格间隙。

J 锰氧化物的SAED分析。    

图2. 不溶性颗粒-锰氧化物的表征

A 不溶性颗粒-锰氧化物的XRD图谱。

B 不溶性颗粒-锰氧化物的XPS调查谱。

C-D 锰氧化物中Mn元素的2p(C)和3s(D)分析。

图3. 在G. metallireducens和R. palustris共培养中，ROS生成。

A 锰和活性氧物种（包括O₂⁻•，H₂O₂和•OH）的标准氧化还原电位（E⁰）。

B 利用UV/Vis光谱检测G. metallireducens和R. palustris共培养中O₂⁻•的生成。

C-D 荧光分析G. metallireducens和R. palustris共培养中•OH(C)和H₂O₂(D)的生成。

E G. metallireducens和R. palustris共培养中•OH和H₂O₂的积累。

图4. •OH鉴定和质谱分析G. metallireducens 和 R. palustris 共培养中的DMPO/•OH。

A EPR分析G. metallireducens和R. palustris共培养中的•OH。

B 利用¹⁶O-H₂O制备培养基，用DMPO捕获G. metallireducens和R. palustris共培养中产生的•OH，并检测DMPO/•OH。

C 利用¹⁶O-H₂O制备培养基，用DMPO捕获G. metallireducens和R. palustris共培养中产生的•OH，并检测DMPO/•OH。    

图5. 在黑暗和厌氧条件下，G. metallireducens和R. palustris混合菌群中的AMMO过程。

A 在黑暗和厌氧条件下，G. metallireducens和R. palustris混合菌群中，可能的AMMO过程。红色线表示电子从G. metallireducens转移到R. palustris。底部黑色虚线方框中，展示了非光驱动的AMMO过程。*H₂O 表示活化的H₂O。Fe-S 表示Fe-S簇。

B G. metallireducens（G.m）和R. palustris（R.p）混合菌群中，相关注释基因的转录丰度变化，以log₂ FPKM值（每千碱基每百万映射读数的片段）呈现，中位数log₂FPKM值分别为7.5和6.5。如果log₂FPKM大于中位数，则表示基因高度表达。

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