Magnetotactic advantage in stable sediment by long-term observations of magnetotactic bacteria in Earth's field, zero field and alternating field  

通過(guò)趨磁細(xì)菌在地磁場(chǎng)、零場(chǎng)和交變場(chǎng)中的長(zhǎng)期觀測(cè)揭示穩(wěn)定沉積物中的趨磁優(yōu)勢(shì)

來(lái)源：PLoS ONE 17(2): e0263593. 2022

《公共科學(xué)圖書館·綜合》第17卷第2期，文章編號(hào)e0263593，2022年

 

摘要內(nèi)容

該研究首次通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)量化了穩(wěn)定沉積環(huán)境中趨磁細(xì)菌（MTB）的趨磁優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)兩種野生型MTB（球菌和桿狀M. bavaricum）在地磁場(chǎng)、零磁場(chǎng)及每24小時(shí)極性反轉(zhuǎn)的交變場(chǎng)中的種群動(dòng)態(tài)。結(jié)果顯示：在零場(chǎng)中，M. bavaricum的平均濃度在6個(gè)月內(nèi)下降約50%，但未滅絕，且恢復(fù)地磁場(chǎng)后種群在1.5個(gè)月內(nèi)復(fù)原；球菌在零場(chǎng)中無(wú)明顯變化，但在交變場(chǎng)中幾乎滅絕。這表明趨磁行為在沉積環(huán)境中具有主動(dòng)優(yōu)勢(shì)，且M. bavaricum可能因不同的趨磁機(jī)制在地質(zhì)歷史磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)中具備生存優(yōu)勢(shì)。  

 

研究目的  

量化沉積環(huán)境中趨磁行為的生存優(yōu)勢(shì)，探究MTB在異常磁場(chǎng)（零場(chǎng)、交變場(chǎng)）下的適應(yīng)機(jī)制，并推斷其在地質(zhì)時(shí)期磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)中的演化意義。  

研究思路  

構(gòu)建沉積物微宇宙：采集湖泊沉積物，在實(shí)驗(yàn)室建立穩(wěn)定的化學(xué)分層環(huán)境（含氧-缺氧界面，OAI）。  

 

磁場(chǎng)控制：通過(guò)亥姆霍茲線圈系統(tǒng)模擬三種條件：地磁場(chǎng)（~44 μT）、近零磁場(chǎng)（≤1.5 μT）、垂直交變場(chǎng)（每24小時(shí)反轉(zhuǎn)極性）。  

 

長(zhǎng)期觀測(cè)：持續(xù)6–12個(gè)月監(jiān)測(cè)兩種MTB（M. bavaricum和球菌）的種群密度及垂直分布。  

 

數(shù)據(jù)對(duì)比：分析不同磁場(chǎng)下MTB種群動(dòng)態(tài)、深度分布變化及恢復(fù)能力。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及意義  

3.1 種群密度變化（圖6）  

意義：直接量化趨磁優(yōu)勢(shì)。零場(chǎng)中M. bavaricum下降50%證明趨磁是其生存關(guān)鍵；球菌在交變場(chǎng)中幾乎滅絕，支持極性趨磁機(jī)制理論。  

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖6a（M. bavaricum）和圖6b（球菌）的隨時(shí)間變化的種群密度曲線。  

 

3.2 垂直分布（圖4、5、7）  

 

 

 

意義：揭示磁場(chǎng)對(duì)MTB生態(tài)位的影響。M. bavaricum在交變場(chǎng)中雙峰分布分異（圖7a），表明其可能通過(guò)"垂直穿梭"代謝適應(yīng)異常磁場(chǎng)；球菌分布集中于OAI附近（圖7b），交變場(chǎng)導(dǎo)致其分布范圍收縮。  

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖4（M. bavaricum初始分布）、圖5（球菌初始分布）、圖7（三組磁場(chǎng)下的平均垂直分布）。  

 

3.3 氧氣梯度形成（圖3）  

意義：驗(yàn)證微宇宙化學(xué)分層的穩(wěn)定性，為趨磁-趨氧耦合機(jī)制提供基礎(chǔ)。  

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3的氧氣剖面測(cè)量數(shù)據(jù)（使用Unisense微電極系統(tǒng)）。  

 

結(jié)論  

 

4.1 M. bavaricum在零場(chǎng)中損失50%種群但能穩(wěn)定存活，證明趨磁行為為其提供顯著生存優(yōu)勢(shì)，但非絕對(duì)依賴。  

4.2 球菌在交變場(chǎng)中幾乎滅絕，符合極性趨磁機(jī)制（依賴固定磁場(chǎng)方向）；而M. bavaricum在交變場(chǎng)中僅中度下降且分布改變，暗示其可能具備極性切換或代謝適應(yīng)能力。  

4.3 M. bavaricum的雙峰垂直分布（圖7a）支持"代謝穿梭"假說(shuō)（在淺層氧化硫、深層吸收硫），其趨磁機(jī)制可能助其度過(guò)地質(zhì)時(shí)期磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OX50傳感器，分辨率0.3 μM）測(cè)量的氧氣梯度數(shù)據(jù)（圖3）是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心驗(yàn)證：  

微尺度分辨率：50 μm尖端直徑可精確刻畫沉積物-水界面的氧梯度（OAI位置），證實(shí)實(shí)驗(yàn)微宇宙成功模擬了自然沉積物的化學(xué)分層（OAI在14.5小時(shí)穩(wěn)定形成）。  

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)性：氧梯度數(shù)據(jù)將MTB分布（圖4、5）與OAI位置直接關(guān)聯(lián)，為"磁趨氧機(jī)制"提供實(shí)證。例如，MTB初始聚集于OAI（圖4、5中第2–4天峰值），證明其依賴化學(xué)-磁耦合導(dǎo)航。  

 

實(shí)驗(yàn)可靠性：梯度穩(wěn)定性（21小時(shí)后無(wú)變化）確保后續(xù)6–12個(gè)月磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，MTB行為變化僅由磁場(chǎng)條件驅(qū)動(dòng)，排除化學(xué)干擾。  

 

生態(tài)意義：揭示MTB在擾動(dòng)沉積物中的快速響應(yīng)能力（OAI到達(dá)界面后4天內(nèi)MTB峰值形成），凸顯其在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的生存策略。