铁还原细菌矿化产物及其对铁建造沉积的指示意义

韩晓华 潘永信

表1 低温环境和生物成因矿物中常见的含铁矿物

20世纪初,人们对于自然界中Fe元素的地球化学循环过程仍局限于化学介导的方式。直到20世纪末,嗜中性铁代谢微生物的发现和相关成果的发表使人们逐渐认识到了微生物介导Fe元素循环的重要性(Meltonetal., 2014)。微生物Fe代谢过程通常伴随着Fe元素的生物矿化。铁代谢微生物的矿化过程可以分为两种:其一为生物控制矿化作用,比如趋磁细菌可以通过在细胞内矿化形成磁铁矿或胶黄铁矿颗粒,帮助其降低活性氧的毒性并沿磁力线运动到适合其生存的环境层位中(潘永信等, 2004; Linetal., 2020; Lietal., 2020);其二为生物诱导矿化作用,比如铁还原细菌可以通过自身代谢改变周围微环境,从而间接诱导矿物在细胞外矿化沉淀(Lovleyetal., 2004)。前人对铁还原细菌-矿物电子转移方式中的氧化-还原反应机制及其影响因素进行了系统的总结和分析(吴云当等, 2016; 邱轩和石良, 2017; 刘娟等, 2018; Liuetal., 2020),本文主要聚焦铁还原细菌诱导的矿物转变及其影响因素,结合前人工作探讨铁还原细菌的生物矿化过程及其对微生物参与铁建造形成的启示意义。

1 常见铁还原细菌矿化过程及产物

与微生物控制矿化相比,微生物诱导矿化在细胞外进行,矿化规模大、产量多,对自然环境中含铁矿物的富集、迁移、转化和沉淀过程贡献大,并可以直接影响着其他元素如C、N、O、S等的生物地球化学循环,其矿化形成的纳米尺寸含铁矿物通常具有较高的比表面积和高反应活性的官能团,使其成为自然环境中重金属元素和有机质的天然吸附剂(Cornell and Schwertmann, 2003; Borchetal., 2010)。铁还原细菌是微生物诱导矿化的典范之一,其分布于细菌域的8个门和古生菌域的7个目中,具有丰富的生物多样性,其中非常重要并且常见的两个菌属为地杆菌属(Geobacter)和希瓦氏菌属(Shewanella)。它们可以耦合Fe(Ⅲ)的还原和有机质或H2的氧化进行细胞代谢,并在胞外矿化形成含Fe(Ⅱ)矿物。最近的研究发现,微生物铁还原过程也可以耦合甲烷和铵盐的氧化(Ettwigetal., 2016; Huang and Jaffé, 2018)。

前人研究表明铁还原细菌可以利用结晶程度较低的Fe(Ⅲ)矿物,如水合氧化铁、纤铁矿等(表2),其还原程度较高(Fredricksonetal., 1998; Zegeyeetal., 2007);也可以利用结晶程度较高的Fe(Ⅲ)矿物,如针铁矿、赤铁矿等,但多局限于纳米级的颗粒,且还原程度较低,多集中于矿物颗粒表层(Liuetal., 2001; Crosbyetal., 2005; Boseetal., 2009)。含Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的磁铁矿和绿锈可以被铁还原细菌利用,将矿物其中的Fe(Ⅲ)还原成Fe(Ⅱ)(Dongetal., 2000; Ona-Nguemaetal., 2009)。铁还原细菌还可以利用黏土矿物中的Fe(Ⅲ),如绿脱石、伊利石等(Dongetal., 2003a, b; Jaisietal., 2005)。人们发现底物的尺寸、结晶程度、晶面暴露等都会影响铁还原菌的还原速率和矿化产物(Cuttingetal., 2009; Huetal., 2020)。

表2 常见铁还原细菌的矿化底物和产物

铁还原细菌可以将上述Fe(Ⅲ)矿物还原为Fe2+,Fe2+与体系中的其他离子结合形成新的矿物,如蓝铁矿、菱铁矿等,也可与剩余的Fe(Ⅲ)矿物进一步反应生成Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)矿物,如绿锈、磁铁矿等(Fredricksonetal., 1998; Cuttingetal., 2009)。新矿物的生成可以通过原位转变(也称为拓扑转变或固态转换)或溶解-再沉淀进行。通过原位转变形成的矿物与矿化底物具有相似的晶体结构,如磁赤铁矿向磁铁矿的转变。或者铁还原细菌可以溶解初始铁氧化底物和诱导新矿物的再沉淀,其中间过程也可能有新矿物的生成,并伴有矿物形态的变化(O’Loughlinetal., 2013)。

图1 微生物诱导的含铁矿物转化过程

部分铁还原细菌的矿化过程并没有新的矿化产物生成,而只是将矿物中的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),改变了矿物的氧化还原状态。例如,Byrneetal.(2016)比较了铁还原细菌G.sulfurreducens还原两种不同粒径(d≈12nm和d≈100～200nm)磁铁矿颗粒的能力。通过利用基于同步辐射的X射线磁性圆二色谱(XMCD)和穆斯堡尔谱,分别对矿物表面和整体的氧化还原状态进行了分析。他们发现初始磁铁矿颗粒表面比内核更富集Fe(Ⅱ),而在经过微生物还原后,虽然没有矿物相的转变,但两种粒径的磁铁矿颗粒内核都发生了不同程度的还原作用。

2 铁还原细菌矿化过程中的影响因素

2.1 菌株种类和浓度

同等培养条件下,不同菌株的代谢速率和胞外分泌物存在差异。希瓦氏菌属的CN32和W3-18-1 Fe(Ⅲ)还原速率相似,是MR-4的两倍,但CN32和MR-4的矿化产物主要为磁铁矿,而W3-18-1的矿化产物为磁铁矿和绿锈,其中的原因可能与生物膜和胞外分泌物有关。相比于CN32和MR-4,W3-18-1的生物膜较为坚固,阻碍了Fe2+在溶液中的扩散,从而形成了一个与整个反应体系化学成分不同的微环境。另外,W3-18-1分泌的胞外化合物也可能起到促进绿锈成核或稳定的作用(Salasetal., 2010)。

除了细菌的种类,细胞浓度的高低会影响Fe(Ⅲ)底物的还原速率和矿化产物。Byrneetal.(2011)发现可以通过控制铁还原细菌的细胞浓度矿化生成不同粒径的磁铁矿:细菌浓度较高的G.sulfurreducens会矿化形成粒径较小的磁铁矿(d=12nm),并且其粒径分布范围更窄;而细胞浓度较低时矿化生成的磁铁矿粒径会较大(d=40～50nm),其粒径分布范围较宽。这是由于较高的细胞浓度会增加Fe(Ⅱ)的生成速率,导致更高的磁铁矿成核速率,从而不利于矿物粒径增长,所以矿化生成的磁铁矿粒径较小。

细胞浓度的高低不仅仅会影响细胞的反应活性,而且较高的细胞密度会导致其在矿物表面聚集,从而减少可直接用于电子转移的矿物表面积。前人在较低的铁还原细菌细胞浓度(5×108CFU·mL-1)的反应体系中观察到磁铁矿的生成,而在有较高细胞浓度(2×109CFU·mL-1)的反应体系中只检测到绿锈的生成。进一步在较低细胞浓度的体系中加入经过加热灭菌的细胞(1.5×109CFU·mL-1),结果发现反应体系中有绿锈的生成。这说明由于高细胞浓度造成的细胞聚集体可能会形成更利于绿锈的pH、Eh微环境(Zegeyeetal., 2007; O’Loughlinetal., 2010)。后续的电镜观察发现,细胞/纤铁矿比例较高会导致沉淀中形成密集堆积的细胞和矿物聚集体,这可能是由于细胞产生的多种表面活性官能团(即羧基、磷基和氨基成分)为纤铁矿提供了更多吸附位点(Zegeyeetal., 2010)。

2.2 温度、压力和pH

从太平洋热液口分离的一株铁还原细菌Shewanellasp.strain PV-4,它可以在18～37℃将四方纤铁矿矿化成粒径为30～200nm的磁铁矿;但在低于8℃条件下,Shewanellasp.strain PV-4矿化形成的磁铁矿粒径为10～40nm(Rohetal., 2006)。分离自地下深部2.8km的铁还原细菌Thermoanaerobacterspp. strain TOR39在65℃条件下培养22天后,矿化形成的磁铁矿粒径平均值为56.2nm(Zhangetal., 1998),而在55℃条件下培养2年后,矿化形成的八面体和六边形片状磁铁矿粒径为292nm(Li, 2012)。

深海环境(深度>1000m)占全球海洋的75%,其中的深海微生物可以适应极高的压力环境。分离自西太平洋～2000m水深的S.piezotoleransWP3,其最大耐受压力可达50MPa。随着压力的升高,WP3诱导磁铁矿生成的矿化过程减慢,但磁铁矿颗粒粒径和结晶程度均有所增加(Wuetal., 2013)。关于pH对铁还原细菌矿化产物的影响,最显著的是其诱导黏土矿物的转化过程。嗜热铁还原细菌Thermoanaerobacterethanolicus和ThermusscotoductusSA-01分别在pH为9.2和8.1的条件下可以将绿泥石还原,并形成分散的伊利石颗粒,而在pH ～6.0条件下并未出现其沉淀。这说明偏碱性的条件更有利于铁还原细菌还原绿泥石,矿化形成伊利石(Zhangetal., 2007; Jaisietal., 2011)。

2.3 缓冲液及磷酸盐

图2 本研究中铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4诱导水合氧化铁形成的矿化产物

2.4 电子供体

土壤和沉积物中存在多种铁还原细菌可以利用的电子供体,其供给电子的数量和效率各有不同,因此会对铁还原细菌矿化产物产生影响。以丙酮酸为电子供体时,铁还原细菌S.putrefaciensstrain W3-18-1会矿化形成球状的菱铁矿;以尿苷作为电子供体时,其矿化产物为六角形片状的绿锈;当乳酸盐作为电子供体时,其矿化产物为绿锈和磁铁矿的混合物。并且,不同的电子供体被还原后产生的乙酸量和反应体系的pH值也存在差异(乳酸,8.0～8.3;丙酮酸7.8;尿苷7.4),这可能是导致其矿化产物不同的原因,但其机制仍需进一步研究(Salasetal., 2009)。

相对于Fe(Ⅲ)矿物,自然界中电子供体的含量可能过多或过少。在铁还原细菌S.putrefaciensCN32的矿化过程中,当水合氧化铁过量时(0.5mmol/L乳酸/150mmol/L水合氧化铁),水合氧化铁转变为赤铁矿、针铁矿、纤铁矿和结晶程度更高的水合氧化铁;当水合氧化铁浓度适中时(0.5mmol/L乳酸/50mmol/L水合氧化铁),水合氧化铁转变为针铁矿和纤铁矿;当电子供体过量时(30mmol/L乳酸/47mmol/L水合氧化铁),水合氧化铁几乎完全转化为细粒磁铁矿(Zacharaetal., 2002)。这说明在不同浓度的电子供体反应中,铁还原细菌不仅可以促进含Fe(Ⅱ)矿物的形成,还可以促进水合氧化铁向结晶程度更高的Fe(Ⅲ)矿物转变(Fredricksonetal., 2003; Palludetal., 2010)。

2.5 有机质

目前的研究表明海水中的有机配位体控制着溶解铁的浓度,反之含铁矿物的沉积也有利于有机质的保存。基于多种沉积环境中收集的数据发现,沉积物中约21.5%的有机碳会通过共沉淀和/或直接螯合的方式与含铁矿物相结合(Lalondeetal., 2012)。因此,有机质在微生物诱导Fe元素的循环过程中有着重要作用,比如腐殖质,它是土壤和沉积物中常见的组分,由含有金属离子络合和氧化还原活性官能团的碎屑有机质组成。根据其在不同pH条件下的水溶性,腐殖质可以被分离成三个组分,即腐殖酸、富里酸和胡敏素(Amstaetteretal., 2012)。在实验室研究中,AQDS(9, 10-anthraquinone-2, 6-disulfonate)常被用作腐殖质的简单替代品。腐殖质和AQDS在铁还原过程中可以作为电子穿梭体,但其对铁还原细菌矿化过程的影响却不同。大量的研究表明,AQDS通过增强铁还原细菌的还原速率和还原程度,更有利于在细胞周围形成矿化的微环境,从而提高矿化产物的比例和结晶程度(Dongetal., 2000; Ona-Nguemaetal., 2002; Jaisietal., 2005; 李陛等, 2011)。但是,与AQDS不同,腐殖质对含铁矿物具有很强的吸附作用,会阻碍Fe2+对Fe(Ⅲ)底物的吸附和进一步的诱导矿化过程,从而改变最终矿化产物的种类,降低矿化产物的结晶程度和粒径大小(Amstaetteretal., 2012)。例如在以腐殖酸和水合氧化铁为底物的反应体系中,腐殖酸会抑制铁还原细菌诱导水合氧化铁转变为针铁矿,降低磁铁矿的转化率,反而增加了亚稳态矿物绿锈的生成(Shimizuetal., 2013)。

另外,细胞本身及附带有机质也可以通过共沉淀和/或在矿物表面聚集的方式影响矿物的表面电势和比表面积等特征,从而改变其二次矿化的速率和产物。我们比较了腐殖酸和生物有机质(厌氧光合铁氧化细菌RhodobacterferrooxidansSW2细胞及附带有机质)分别对化学诱导和微生物诱导矿化的影响。实验结果发现在化学诱导(Fe2+)的实验中,与腐殖酸共沉淀的水合氧化铁部分(68%)转变为了磁铁矿,而与生物有机质共沉淀的水合氧化铁并没有转变为磁铁矿,而是只有极少部分(17%)转变为了针铁矿。这说明腐殖酸延迟、甚至抑制了Fe2+与水合氧化铁之间的反应。而在微生物还原实验(铁还原细菌ShewanellaoneidensisMR-1)中,与腐殖酸和生物有机质共沉淀的水合氧化铁底物均不同程度地(分别为50%和56%)转变为磁铁矿,这表明即使与生物成因有机质结合,水合氧化铁也仍具有生物可利用性(Hanetal., 2020)。

2.6 微量元素

图3 本研究中(非生物实验)和铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4(生物实验)诱导与不同浓度微量元素(0×10-9、250×10-9、500×10-9)共沉淀的水合氧化铁转化形成的矿化产物的激光拉曼光谱图

表3 本研究中非生物实验和生物实验反应50天后体系中的Fe2+浓度

图4 本研究中(非生物实验)和铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4(生物实验)诱导与不同浓度微量元素(0×10-9、250×10-9、500×10-9)共沉淀的水合氧化铁转化形成的矿化产物的透射电子显微镜图像

图5 本研究中(非生物实验)和铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4(生物实验)诱导与不同浓度微量元素(0×10-9、250×10-9、500×10-9)共沉淀的水合氧化铁转化形成的磁铁矿的粒径分布

在自然环境中,往往是多因素共同影响铁还原细菌的矿化过程,但其中机制可能是相同的。根据其可能的影响机制,可以将以上环境影响因素划分为以下三类:(1)热力学因素,包括温度、压力、pH、气体环境、微观尺度的化学条件以及细胞与矿物表面活性基团的相互作用;(2)生物因素,包括细菌种类、浓度及其生物有机质;(3)化学因素,包括底物特征、化学元素的空间分布、微量元素的种类和浓度以及细胞与矿物表面的接触面积(如含氧阴离子和腐殖质的存在和相互作用)。上述因素都可以直接或间接地影响着铁还原细菌矿化产物的特征,从而可以实现操纵实验条件诱导指定矿物的形成。

3 铁还原细菌在铁建造沉积中的作用

铁建造是主要形成于古太古代至古元古代(3.8～1.8Ga)缺氧古海洋环境中的沉积岩,通常具有典型的铁质与硅质互层的条带状结构(Banded Iron Formations, BIFs),其主要含铁矿物有赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿以及富铁的硅酸盐矿物。铁建造不仅是全球规模最大、储量最多的铁矿类型,其总铁含量大于15%,具有重大经济价值;并且,铁建造记录了地球早期近20亿年间古大气和古海洋的氧化还原状态以及化学组分等重要信息,是研究早期地球环境演变、生命起源及演化等重大问题的独特载体(张连昌等, 2012; 史晓颖等, 2016; Konhauseretal., 2017)。最新的研究认为大陆边缘高密度的条带状铁建造可能为最古老俯冲带的起始提供了动力,其在新太古代的沉积高峰期(2.75～2.40Ga)也为全球板块构造的启动提供了时间上的约束(Zhangetal., 2023)。

在地球早期缺氧条件下,UV-光氧化作用、蓝细菌产氧作用、微好氧细菌、厌氧光合铁氧化菌和硝酸盐还原铁氧化作用可以将古海洋中的Fe2+氧化为Fe3+(图6),并可能参与铁建造中Fe(Ⅲ)矿物的形成过程(Kappleretal., 2005; Lepotetal., 2017; Linetal., 2019; 黄柳琴等, 2023)。除了Fe(Ⅲ)矿物,铁建造中还存在大量的含Fe(Ⅱ)矿物,以磁铁矿为例,其形成过程被认为可能与铁还原细菌有关(图6)。目前,前人根据以下研究结果提出铁还原细菌可能在铁建造磁铁矿的形成过程中起着重要作用:(1)地球早期可能存在比较古老的微生物可以利用H2还原Fe(Ⅲ)(Vargasetal., 1998)。(2)铁建造中的磁铁矿与实验室培养的铁还原细菌矿化生成的磁铁矿具有相似的晶格常数和Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学计量比特征(Lietal., 2009, 2011a, b)。(3)实验室模拟结果发现铁还原细菌矿化形成的磁铁矿可以在150℃、0.1GPa条件下增长至与铁建造中磁铁矿相似的粒径大小(Lietal., 2013)。(4)铁建造富铁层中的磁铁矿主要是多畴及假单畴颗粒,而富硅层中磁铁矿主要为假单畴及超顺磁性颗粒,并且有～107K和～125K两个Verwey转变温度,表明其中可能存在生物成因和非生物成因两种类型磁铁矿(章敏等, 2019)。

图6 微生物参与铁建造沉积的过程及铁建造中磁铁矿和菱铁矿形成过程中的非生物过程

6FeCO3→2Fe3O4+5CO2+C

(1)

3FeCO3+H2O→Fe3O4+3CO2+H2

(2)

目前对于铁建造沉积过程的认识主要基于岩石记录和模拟早期地球环境条件的实验室结果,生物和非生物过程对铁建造沉积的贡献程度仍存在争论。由于缺乏直接的微化石证据,人们很难明确铁还原细菌在铁建造沉积中的作用,未来仍需探索更多关于铁还原细菌的生物标志物,半定量-定量地评估铁还原细菌在铁建造沉积中的贡献。

4 结论

铁还原细菌是Fe元素生物地球化学循环的重要参与者,可以促进各种含铁矿物的形成和转化。并且,铁还原细菌也已经发展出多样的呼吸系统(可利用多种电子受体),具有极强的环境适应性(耐温、耐压、耐高盐度),其分布环境非常多样。除了文中提到的铁还原细菌和铁氧化细菌,自然界还有许多其他微生物可能与Fe元素相互作用。例如硫酸盐还原细菌,它可以促进Fe(Ⅲ)矿物的还原,并以含铁硫化物的形式沉淀。因此,系统研究各种环境中共同促进Fe元素循环的微生物群落的代谢途径和矿化产物,可以更好刻画地质历史时期及现代环境中Fe元素的生物地球化学循环过程。

虽然对于铁还原细菌矿化产物的影响因素已有大量研究,但其中仍存在很多问题需要深入探讨。例如磷酸盐促进铁还原细菌矿化形成绿锈的机制尚不清楚、磁铁矿是否为铁还原细菌诱导矿化菱铁矿的关键前体矿物、铁还原细菌矿化生成单畴磁铁矿颗粒的内在机制是什么等等,未来仍需针对以上问题,开展热力学、反应动力学和显微结构学等多层面的系统研究。

前人的研究表明蓝细菌、铁氧化细菌和铁还原细菌可能在铁建造沉积过程中扮演着重要的角色,但这些主要集中在单独的铁氧化或铁还原过程上,而这两个过程的结合是至关重要的。未来可以进一步开展铁氧化细菌和铁还原细菌在反应柱中的连续培养,并结合铁建造自然样品记录的营养元素和微量元素信息,从而解析铁建造沉积过程中矿物的形成机制和古海洋的地球化学条件。

致谢感谢两位审稿专家给予宝贵的修改意见。