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 Fe（III）還原富集培養物的表征和腸桿菌屬 Nan-1 的分離

來源： Journal of Ocean University of China · August 2020

 

1. 論文摘要核心內容

 

本研究從 南海3915米深海沉積物 中富集鐵還原菌群，以水合氧化鐵（HFO）為唯一電子受體。通過 Meta 16S rDNA擴增子測序 發現富集菌群以 Shewanella（希瓦氏菌）和 Enterobacter（腸桿菌）為主。分離得到一株新的兼性鐵還原菌 Enterobacter sp. Nan-1，該菌株具有以下特性：

 

廣鹽性：在鹽度0–60 g/L下高效還原HFO（最適34 g/L，對應深海鹽度）。

 

耐壓性：在0.1–50 MPa靜水壓力下持續還原Fe(III)，以葡萄糖或丙酮酸為碳源（圖8-9）。

 

 

溫度適應性：4–50℃下均可生長（最適37℃）（圖7）。

 

深海沉積物地球化學特征（圖1）顯示，菌株分離位點存在活躍的 Fe(III)還原帶 和微生物代謝活動。Nan-1是首個從深海分離的耐壓腸桿菌屬鐵還原菌，為深海鐵生物地球化學循環及有機質成巖過程研究提供了新模型。

 

 

2. 研究目的

 

1.表征南海深海沉積物中的 Fe(III)還原菌群落結構。

2.分離純化新型鐵還原菌并解析其 生理特性（鹽度、溫度、壓力適應性）。

3.探究菌株在深海 鐵生物地球化學循環 中的作用機制。

 

3. 研究思路

 

1.樣品采集與地球化學分析：

 

南海3915米深海沉積物巖心（260 cm）分層取樣（圖1）。

 

使用 Unisense溶解氧微電極 測定孔隙水溶解氧（DO）剖面（方法2.1），結合硝酸鹽、銨鹽等指標建立氧化還原分帶模型。

2.富集培養與群落分析：

 

以HFO為電子受體，4℃和25℃下富集培養（方法2.2）。

 

Meta 16S rDNA測序 分析富集菌群組成（表1-2，圖2）。

 

 

3.菌株分離與鑒定：

 

純化菌株Nan-1，通過 TEM形態觀察（圖3）、16S rRNA基因測序（圖4）和系統發育樹分析鑒定為 Enterobacter hormaechei亞種（相似度99%）。

 

 

4.生理特性驗證：

 

Fe(III)還原能力：檢測Fe(II)積累量（圖5）及電子供體偏好（表3）。

 

 

 

環境適應性：鹽度（0–60 g/L，圖6）、溫度（4–50℃，圖7）、壓力（0.1–50 MPa，圖8-9）對生長和鐵還原的影響。

 

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 沉積物地球化學特征（圖1）

 

 

數據：

 

DO剖面（Unisense電極）：0–16 cm呈指數下降，穿透深度16 cm（圖1A）。

 

硝酸鹽穿透深度（30 cm）＞DO，硫酸鹽濃度穩定，銨鹽在底部積累（60 μmol/L）。

 

Fe(II)峰值（2.33 μmol/L）位于25–230 cm，與低TOC、低δ13C區間對應（圖1B）。

 

意義：證實存在 活躍的Fe(III)還原帶，為菌株分離提供環境背景；低δ13C值指示有機質源自自養微生物，支持異養鐵還原菌的能量來源假說。

 

(2) 富集菌群結構（圖2，表1-2）

 

 

數據：

 

25℃富集：Shewanella（76.2%）、Enterobacter（23.8%）。

 

4℃富集：Shewanella（98.7%）主導（圖2）。

 

意義：揭示 溫度驅動群落分化；Enterobacter在常溫富集占比較高，提示其深海鐵還原潛力。

 

(3) 菌株Nan-1特性

 

 

形態與分類：桿狀（2.1 × 0.9 μm，圖3），16S rRNA鑒定為 Enterobacter新菌株（圖4）。

 

Fe(III)還原動力學：

 

電子供體偏好：丙酮酸＞葡萄糖（Fe(II)積累4.69 vs. 3.15 mmol/L），不利用乙酸/乳酸等（表3）。

 

還原與生長同步：Fe(II)積累峰（4.33 mmol/L）與生物量峰值（1.34 × 10^8 cells/mL）均出現在37℃（圖5,7）。

 

環境適應性：

 

鹽度：0–60 g/L下均可還原Fe(III)，最適34 g/L（圖6）。

 

壓力：0.1–50 MPa下持續還原，Fe(II)積累率隨壓力升高而降低（70.8 → 5.3 μmol/L/h），53 MPa時停止（圖8-9）。

 

意義：首次報道 耐壓腸桿菌屬鐵還原菌，填補深海微生物DIR（異化鐵還原）功能菌株空白；廣鹽/耐壓特性使其成為深海鐵循環研究的理想模型。

 

5. 結論

 

1.新型鐵還原菌資源：成功分離 Enterobacter sp. Nan-1，為首個兼具 耐壓性（≤50 MPa）和 廣鹽性（0–60 g/L）的深海腸桿菌屬鐵還原菌。

2.生態功能驗證：Nan-1通過氧化有機物（葡萄糖/丙酮酸）還原Fe(III)，直接關聯 深海碳-鐵耦合循環。

3.深海適應性：菌株生理特性（溫度/壓力/鹽度響應）與南海深海環境匹配，為解析 極端環境下生物地球化學過程 提供實驗模型。

 

6. 丹麥Unisense電極的核心價值

(1) 技術突破性應用

 

 

原位溶解氧動態監測：

 

采用 Unisense Clark型微電極（方法2.1）直接測定沉積物孔隙水DO剖面（圖1A），避免傳統采樣導致的氧化擾動。

 

關鍵數據：DO穿透深度 16 cm（指數下降），明確劃定了 氧化-還原過渡帶，為Fe(III)還原菌的富集位點選擇提供依據。

 

(2) 關鍵科學貢獻

 

 

精準量化氧化還原分帶：

 

Unisense數據揭示DO與硝酸鹽穿透深度差異（16 cm vs. 30 cm），證實 分層電子受體消耗序列（O2 → NO3? → Fe(III)），符合經典沉積物生物地球化學模型。

 

支撐菌株生態位解析：

 

DO剖面與Fe(II)積累區（25–230 cm）的空間關聯（圖1），證實Nan-1分離自 活躍Fe(III)還原帶，確立其原位生態功能。

 

(3) 研究意義

 

 

機制深度解析：

 

Unisense電極的 高空間分辨率（毫米級）捕捉DO梯度變化，將 物理化學環境（氧化狀態）與 微生物代謝活動（鐵還原區）直接關聯，為“菌株分離→功能驗證”提供邏輯閉環。

 

技術不可替代性：

 

相比傳統孔隙水擠壓法（易引入氧氣擾動），Unisense電極的 微創原位監測（響應時間＜1秒）保障了數據真實性，是深海沉積物氧化還原研究的金標準。

 

總結

 

本研究通過 Unisense電極的高精度DO剖面，首次揭示南海深海沉積物 氧化-還原過渡帶（16 cm）的精確位置，為鐵還原菌富集和Nan-1分離提供關鍵環境背景。其技術價值在于：

 

1.環境真實性保障：Unisense避免采樣擾動，真實反映原位DO分布，支撐后續微生物研究的生態相關性。

2.分帶模型驗證：DO與硝酸鹽穿透深度差異（圖1A）驗證了 電子受體消耗序列理論，深化對深海鐵循環的理解。

3.跨尺度關聯：將毫米級DO梯度（電極數據）與米級Fe(II)積累區（地球化學剖面）關聯，確立 多尺度生物地球化學耦合機制。

 

這一發現凸顯Unisense電極在深海極端環境微生物資源挖掘中的不可替代性，為鐵生物地球化學循環研究提供技術范式。