生物礦化是指通過(guò)生物或生物質(zhì)形成礦物的過(guò)程，是連接地球上有機(jī)圈層與無(wú)機(jī)圈層的重要紐帶，對(duì)理解地質(zhì)過(guò)程與生命活動(dòng)相互作用和利用生物化石記錄研究地球與生命之間的協(xié)同演化等有重要意義。趨磁細(xì)菌能在細(xì)胞內(nèi)形成有生物膜包被、晶型尺寸獨(dú)特可控的磁鐵礦晶體，是生物控制礦化研究的典范。而鐵還原和鐵氧化細(xì)菌則通常在細(xì)胞外形成類型多樣、形貌尺寸多變的含鐵礦物，屬于生物誘導(dǎo)型礦化。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，微生物胞外誘導(dǎo)礦化受外界環(huán)境影響大，其礦化產(chǎn)物也很難與非生物成因礦物區(qū)分，因而限制了其在地質(zhì)記錄和生物仿生礦化中的拓展應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李金華研究員與潘永信院士生物地磁學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所、加拿大國(guó)家同步輻射中心、法國(guó)巴黎第六大學(xué)和德國(guó)圖賓根大學(xué)的科研人員，利用先進(jìn)的電子顯微鏡技術(shù)和基于同步輻射的掃描透射X射線顯微鏡（STXM）方法，系統(tǒng)研究了異化鐵還原菌Shewanella oneidensis MR-4的胞外誘導(dǎo)礦化過(guò)程及其產(chǎn)物特性。他們發(fā)現(xiàn)：1）以水合氧化鐵為底物，可以通過(guò)微調(diào)培養(yǎng)體系誘導(dǎo)礦化生成超順磁磁鐵礦晶體，以及具有特殊組裝構(gòu)型的菱鐵礦和藍(lán)鐵礦微晶；2）細(xì)胞物質(zhì)（可能是脂類等有機(jī)質(zhì)）參與了菱鐵礦和藍(lán)鐵礦微晶體的成核和組裝，并被封存或保留在這些礦物微晶體內(nèi)。
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一、異化型鐵還原細(xì)菌
異化鐵還原菌是一種可以耦合C元素和Fe元素的微生物，它可以通過(guò)氧化有機(jī)質(zhì)或者H2還原Fe3+，從而在胞外礦化形成一系列含Fe2+礦物。異化鐵還原菌能夠還原結(jié)晶程度較低的Fe3+礦物，如水合氧化鐵、纖鐵礦等，其還原程度較高；也可以利用結(jié)晶程度較高的Fe3+礦物，如針鐵礦、赤鐵礦等，但多局限于納米級(jí)的顆粒，且還原程度較低，多集中于礦物顆粒表層。異化鐵還原菌可以利用上述礦物作為Fe3+底物在胞外誘導(dǎo)礦化生成磁鐵礦、菱鐵礦和藍(lán)鐵礦等礦物。不同于趨磁細(xì)菌礦化形成的單疇磁鐵礦顆粒，異化鐵還原菌礦化形成的磁鐵礦多為超順磁顆粒，只有某些菌株在高溫或長(zhǎng)時(shí)間的培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)礦化形成大粒徑的磁鐵礦。前人對(duì)異化鐵還原菌礦化形成的磁鐵礦開展了大量研究，然而對(duì)其礦化生成的菱鐵礦和藍(lán)鐵礦產(chǎn)物研究較少。
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二、菱鐵礦和藍(lán)鐵礦的形成過(guò)程、形貌演化及其對(duì)應(yīng)的顯微結(jié)構(gòu)
通過(guò)檢測(cè)異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導(dǎo)菱鐵礦和藍(lán)鐵礦生成過(guò)程中的微生物-化學(xué)參數(shù)（圖1左），他們發(fā)現(xiàn)無(wú)論在低P或高P（磷元素）培養(yǎng)基中，隨著S. oneidensis MR-4細(xì)胞的生長(zhǎng)，培養(yǎng)體系中的蛋白濃度在~20天達(dá)到最高值。相對(duì)應(yīng)地，培養(yǎng)體系的上清液中Fe(II)濃度也在相同的時(shí)間點(diǎn)達(dá)到最高值。而由于水合氧化鐵的還原和磁鐵礦、菱鐵礦或藍(lán)鐵礦的形成，沉淀中的Fe2+濃度逐漸增加，而上清液中Fe2+濃度逐漸降低。相比于對(duì)照組，整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中反應(yīng)體系的pH沒(méi)有明顯變化。這說(shuō)明低P或高P（磷元素）培養(yǎng)基對(duì)S. oneidensis MR-4誘導(dǎo)菱鐵礦和藍(lán)鐵礦生成過(guò)程中的微生物-化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有明顯影響。
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然而，由于異化鐵還原菌是通過(guò)胞外誘導(dǎo)方式礦化形成礦物，其培養(yǎng)環(huán)境對(duì)其最終礦化產(chǎn)物有著重要影響。在低P（磷元素）培養(yǎng)基中，異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4還原水合氧化鐵生成的Fe(II)主要與NaHCO3緩沖液中的CO32-結(jié)合形成菱鐵礦，其晶體有著獨(dú)特的形貌演化順序：紡錘狀-棒狀-花生狀-啞鈴狀-球狀（圖1中）。而在高P培養(yǎng)基中，異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4還原水合氧化鐵生成的Fe(II)主要與PO43-結(jié)合形成藍(lán)鐵礦，其形貌主要為纖維狀或者葉片狀。高分辨掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)菱鐵礦和藍(lán)鐵礦顆粒分別是由許多單晶菱鐵礦板和藍(lán)鐵礦板組成（圖1右），這些單晶板從礦物的中心呈扇形散開，鐵還原菌通過(guò)類似“搭積木”的過(guò)程對(duì)單晶板進(jìn)行組裝。
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圖1 異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導(dǎo)菱鐵礦和藍(lán)鐵礦生成過(guò)程中的微生物-化學(xué)-礦物檢測(cè)（左）、電鏡觀察（中）和精細(xì)結(jié)構(gòu)（右）分析結(jié)果
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三、菱鐵礦的粒徑分布、原位化學(xué)和自動(dòng)晶體取向映射特征
通過(guò)對(duì)異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導(dǎo)生成的菱鐵礦進(jìn)行粒徑統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：雖然紡錘狀、棒狀和花生狀菱鐵礦的形貌不同，但其長(zhǎng)/寬比是一致的（2-3），而啞鈴狀和球狀菱鐵礦的長(zhǎng)/寬比分別為2-1和~1，這說(shuō)明當(dāng)菱鐵礦的形狀從花生狀轉(zhuǎn)變?yōu)閱♀彔詈?，其寬度的增長(zhǎng)速率更快（圖2左上）。STXM分析發(fā)現(xiàn)，菱鐵礦顆粒中還含有Fe3+和有機(jī)分子（圖2左下）。透射電鏡自動(dòng)晶體取向分析（ACOM）結(jié)果也發(fā)現(xiàn)菱鐵礦中心結(jié)晶程度較差，與周圍呈放射狀生長(zhǎng)的部分不同（圖2右）。這表明菱鐵礦晶體最初可能以Fe3+（水合氧化鐵）和有機(jī)分子作為成核位點(diǎn)，后續(xù)通過(guò)單晶菱鐵礦板的組裝后呈放射狀生長(zhǎng)。并且這些有機(jī)分子不僅有助于單晶菱鐵礦板的組裝和菱鐵礦的多步驟生長(zhǎng)過(guò)程，反之，菱鐵礦也是有機(jī)分子的“墳?zāi)埂?，有利于有機(jī)分子的保存。
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圖2 異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4礦化產(chǎn)物菱鐵礦粒徑分布（左上）、原位化學(xué)（左下）和透射電鏡自動(dòng)晶體取向映射特征（右）
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四、異化鐵還原菌誘導(dǎo)礦化模型
通過(guò)連續(xù)檢測(cè)異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4礦化過(guò)程中Fe濃度和礦化產(chǎn)物的變化，他們發(fā)現(xiàn)在前14天的培養(yǎng)過(guò)程中，上清液的Fe(II)濃度較低，磁鐵礦是S. oneidensis MR-4唯一的礦化產(chǎn)物。而培養(yǎng)到~20天時(shí)，上清液的Fe(II)濃度達(dá)到峰值，S. oneidensis MR-4誘導(dǎo)菱鐵礦或藍(lán)鐵礦生成。這說(shuō)明上清液中的Fe(II)濃度在異化鐵還原菌誘導(dǎo)礦物生成過(guò)程中起著主要作用。結(jié)合電子顯微鏡和STXM結(jié)果，提出了S. oneidensis MR-4誘導(dǎo)礦化磁鐵礦、菱鐵礦或藍(lán)鐵礦的模型（圖3）：在實(shí)驗(yàn)初期，細(xì)菌生成的Fe(II)含量較低，Fe(II)立即與水合氧化鐵反應(yīng)生成磁鐵礦；隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)，其生成Fe(II)含量增加，Fe(II)與溶液中的CO32-或PO43-結(jié)合，并以水合氧化鐵和有機(jī)分子作為成核位點(diǎn)形成菱鐵礦或藍(lán)鐵礦。后續(xù)菱鐵礦進(jìn)一步的粒徑生長(zhǎng)伴隨著形貌學(xué)的變化：紡錘狀-棒狀-花生狀-啞鈴狀-球狀，而藍(lán)鐵礦主要為纖維狀或者葉片狀。
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圖3 異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導(dǎo)磁鐵礦、菱鐵礦或藍(lán)鐵礦的礦化過(guò)程
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該研究不僅觀察到異化鐵還原菌誘導(dǎo)菱鐵礦和藍(lán)鐵礦礦化是一個(gè)類似于“搭積木”的過(guò)程，菱鐵礦和藍(lán)鐵礦作為有機(jī)分子的“墳?zāi)埂庇欣谟袡C(jī)質(zhì)的保存，也證實(shí)了其獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)和內(nèi)部有機(jī)分子的存在可能是地質(zhì)記錄中生物成因菱鐵礦和藍(lán)鐵礦識(shí)別的形貌學(xué)和地球化學(xué)證據(jù)，同時(shí)也為利用鐵細(xì)菌的生物礦化作用開展環(huán)境修復(fù)和生物仿生等納米地球科學(xué)應(yīng)用提供指導(dǎo)。
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研究成果發(fā)表于EST并被選為封面文章（韓曉華#，王芙仙#，鄭世玲，邱浩，劉延，王建，Nicolas Menguy，Eric Leroy，Julie Bourgon，Andreas Kappler，劉芳華，潘永信，李金華*. Morphological, Microstructural, and In Situ Chemical Characteristics of Siderite Produced by Iron-Reducing Bacteria [J]. Environmental Science & Technology, 2024,?58(25):?11016-11026.?DOI:?10.1021/acs.est.3c10988.）
