Characterization of Fe(III)-Reducing Enrichment Cultures and Isolation of Enterobacter sp. Nan-1 from the Deep-Sea Sediment, South China Sea  

南海深海沉積物中鐵還原富集培養(yǎng)物的表征及腸桿菌Nan-1的分離  

來(lái)源：Journal of Ocean University of China (Oceanic and Coastal Sea Research), Volume 19, Issue 4, 2020, Pages 818-826

《中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（海洋與海岸帶研究）》，第19卷第4期，2020年，第818-826頁(yè)  

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究通過(guò)富集培養(yǎng)從南海3915米深海沉積物中分離到一株新型鐵還原菌 Enterobacter sp. Nan-1。該菌能以水合氧化鐵（HFO）為電子受體，在高壓（0.1-50 MPa）、寬鹽度（0-60 g/L）和溫度（4-50℃）條件下高效還原Fe(III)。地質(zhì)化學(xué)分析表明其來(lái)源沉積物存在活躍的鐵還原區(qū)（Fe(II)濃度2.33 μmol/L）。Nan-1的發(fā)現(xiàn)為深海鐵生物地球化學(xué)循環(huán)和有機(jī)質(zhì)成巖過(guò)程研究提供了新模型。  

 

研究目的

 

1. 表征深海沉積物中鐵還原菌群落結(jié)構(gòu)  

2. 分離純化新型Fe(III)還原菌并解析其生理特性  

3. 評(píng)估菌株對(duì)深海極端環(huán)境（高壓、低溫、高鹽）的適應(yīng)性  

 

研究思路

 

1. 樣品采集與預(yù)處理：  

   ? 南海3915米深海沉積物巖心分層取樣（圖1）  

 

   ? 孔隙水地球化學(xué)分析（DO、NO??、NH??、SO?2?等）  

 

2. 富集培養(yǎng)與群落分析：  

   ? 以HFO為唯一電子受體建立富集培養(yǎng)體系  

 

   ? Meta 16S rDNA測(cè)序揭示優(yōu)勢(shì)菌群（圖2）  

 

3. 菌株分離與鑒定：  

   ? 厭氧平板篩選純菌株  

 

   ? 通過(guò)16S rRNA基因序列（MK311344）和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)鑒定為Enterobacter sp. Nan-1（圖3-4）  

 

 

4. 生理特性測(cè)試：  

   ? 鹽度耐受性（0-60 g/L NaCl）（圖6）  

 

   ? 溫度適應(yīng)性（4-50℃）（圖7）  

 

   ? 高壓響應(yīng)（0.1-50 MPa）（圖8-9）  

 

   ? 電子供體利用能力（葡萄糖、丙酮酸等）（表3）  

 

 

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 沉積物地球化學(xué)數(shù)據(jù)（圖1）  

   ? 數(shù)據(jù)：DO穿透深度16 cm，NO??穿透深度30 cm；Fe(II)峰值濃度2.33 μmol/L（25-230 cm層）  

 

   ? 意義：證實(shí)沉積物存在活躍的鐵還原區(qū)，為菌株分離提供環(huán)境背景  

 

2. 微生物群落組成（圖2）  

   ? 數(shù)據(jù)：富集培養(yǎng)中Shewanella（低溫）和Enterobacter（常溫）為優(yōu)勢(shì)屬  

 

   ? 意義：揭示深海鐵還原菌的功能群分布規(guī)律  

 

3. 菌株生理特性（圖5-9，表3）  

   ? 數(shù)據(jù)：  

 

     ? 最適鹽度34 g/L（細(xì)胞數(shù)10.48×10?/mL）  

 

     ? 最適溫度37℃（Fe(II)產(chǎn)量4.69 mmol/L）  

 

     ? 高壓耐受（50 MPa下仍具活性）  

 

     ? 電子供體偏好：丙酮酸 > 葡萄糖  

 

   ? 意義：首次報(bào)道Enterobacter屬菌株的深海適應(yīng)性，拓展鐵還原菌資源庫(kù)  

 

4. 高壓響應(yīng)機(jī)制（圖8-9）  

   ? 數(shù)據(jù)：Fe(II)生成速率隨壓力升高而下降（0.1 MPa: 70.8 μmol/L/h → 50 MPa: 5.3 μmol/L/h）  

 

   ? 意義：揭示微生物鐵還原的酶促反應(yīng)受壓力抑制的定量規(guī)律  

 

結(jié)論

 

1. 菌株特性：Enterobacter sp. Nan-1是首株具高壓耐受性的腸桿菌屬鐵還原菌，最適條件37℃/34 g NaCl/L，能利用丙酮酸高效還原HFO  

2. 環(huán)境適應(yīng)性：在50 MPa高壓下仍保持活性，突破已知鐵還原菌的壓力耐受極限  

3. 生物地球化學(xué)意義：為深海碳-鐵耦合循環(huán)（如"生物碳泵"）提供新的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

研究使用丹麥Unisense微電極測(cè)量沉積物孔隙水溶解氧（DO），其核心價(jià)值在于：  

1. 原位高精度監(jiān)測(cè)：  

   ? 微米級(jí)分辨率繪制DO垂直剖面（圖1A），明確氧化還原分帶（DO穿透深度16 cm vs. NO??穿透深度30 cm）  

 

   ? 校準(zhǔn)精度高（r2=0.99），避免采樣擾動(dòng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差  

 

2. 支撐鐵還原區(qū)界定：  

   ? DO數(shù)據(jù)證實(shí)鐵還原區(qū)位于缺氧層（O?耗盡區(qū)），與Fe(II)積累區(qū)深度吻合  

 

   ? 為富集培養(yǎng)提供關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)（如厭氧閾值DO<0.5 mg/L）  

 

3. 機(jī)制解析基礎(chǔ)：  

   ? DO梯度數(shù)據(jù)驗(yàn)證"微生物代謝驅(qū)動(dòng)Fe(III)還原"的假設(shè)，排除非生物還原干擾  

 

   ? 定量化氧耗速率，反推有機(jī)質(zhì)礦化對(duì)鐵還原的電子供給潛力