微生物是地球上出現最早、種類和數目最多、功能最全的一種生命形式。通過礦化作用，微生物直接參與地球上至少六十餘種礦物的形成和轉化。研究自然界中能夠礦化的微生物及微生物形成的礦物對認識現今和地質歷史時期的微生物參與及微化石記錄的地球與生命演化過程具有重要指示意義。然而，自然環境中的微生物一般多雜居混生，且超過99.99%的微生物還不能在實驗室實現純培養。如何開展環境中未培養微生物的種類鑑定和深入研究，是當前地質微生物學領域研究的熱點和難點，既需要多學科交叉、也需要多技術融合，更需要有創新思維。
近日，中國科學院地質與地球物理研究所地磁場與生物圈演化學科組研究團隊聯合國內外多個單位科研人員，利用 「螢光-電子顯微鏡聯用」新技術（FISH-SEM和FISH-TEM），對自然環境中一類「既能利用地磁場定向遊泳，又能在細胞內礦化合成納米級磁鐵礦（Fe3O4）磁小體」的原核微生物-趨磁細菌，進行了迄今為止最大規模的生物和礦物多樣性鑑定，從單細胞水平上鑑定了20種新型的趨磁球菌。系統發育分析表明，這些趨磁球菌屬於變形菌門（Proteobacteria）一個新的綱—η-變形菌綱；透射電鏡分析表明，這些趨磁球菌合成的磁小體形貌和結構多樣，但具有菌種或菌株特異性。相關研究成果發表在Environmental microbiology上（博士生劉沛餘為論文第一作者，李金華研究員為通訊作者），指示磁小體的生物礦化過程受到趨磁細菌基因水平上的嚴格調控，磁小體的形貌和結構特徵與趨磁細菌的種類存在一定程度的對應關係，因此沉積物或巖石中磁小體有望成為古趨磁細菌研究的化石材料。
螢光-電子顯微聯用技術鑑定環境樣品中未培養趨磁球菌。
1974-1975年，美國微生物學者理察·布萊克莫(Richard P. Blakemore)在研究海洋淤泥中螺旋菌時，意外發現一類球形細菌，能識別地磁場或外加磁場，順著磁力線方向遊泳而聚集在水滴邊緣，這些球菌還能在細胞內合成鏈狀排列的納米四氧化鐵（Fe3O4）顆粒。在隨後發表在Science期刊文章中，他將這類細菌命名為趨磁細菌（magnetotactic bacteria），將這些細胞內納米磁性顆粒命名為磁小體（magnetosome），將趨磁細菌這種沿磁力線遊泳行為稱為趨磁性（magnetotaxis）。布萊克莫的這一發現，重新喚起了人們對義大利學者Bellini在1950-1960年代，從淡水環境發現的一類磁敏感細菌的重視，同時也迅速吸引了微生物學、物理學和地球科學等多領域科學家極大的興趣，從此拉開了趨磁細菌研究的序幕。
四十多年來，來自英、德、日、巴西和中國等來自生命、地球、海洋、物理和材料科學等不同領域的科學家陸續加入到趨磁細菌的研究行列，重點在趨磁細菌的生態分布和種類多樣性、磁小體生物礦化過程及其分子機制、磁小體化石識別及古地磁學應用、以及磁小體生物仿生和納米醫學應用等方面開展了大量研究。這些研究表明，磁細菌具有全球分布，其細胞種類（系統發育）和磁小體晶型均具有豐富的多樣性，表明其生物礦化機制也可能多樣。針對未培養趨磁細菌，前人多採用不依賴純培養的分子生態學（16S rDNA序列測定）研究其系統發育，採用透射電鏡技術研究磁小體的形貌、尺寸、結構、成分和細胞內的組裝結構等性質，從而認識趨磁細菌的生物礦化過程和機理。然而，磁小體晶形觀測難以與系統發育直接建立聯繫，除了少數幾種趨磁細菌外，大量的未培養趨磁細菌的種類與磁小體晶型在細胞水平上的一一對應關係並未建立，制約了全面認識趨磁細菌的生物礦化機制。
特別指出的是，儘管趨磁球菌是最早被發現的趨磁細菌，也是自然環境中分布範圍最廣、數目最多的趨磁細菌，但對這類細菌的認識相對是最不清楚的。主要表現在：1）由於其培養條件十分苛刻，目前純培養的趨磁球菌只有三株，分別是Magnetococcus marinusstrain MC-1, strain MO-1和Magnetofaba australisstrain IT-1，均為海洋單鏈趨磁球菌。2）儘管前人的研究中獲得了大量的趨磁球菌16S rDNA序列，但是由於不同種類的趨磁球菌形貌極其相似，用傳統的螢光原位雜交技術難以將它們的系統發育信息和細胞、磁小體形貌結構等特徵對應起來，從而限制了對這類細菌生物礦化機制的深入認識。3）由於純培養和成功鑑定的趨磁球菌種類相對較少，對這類細菌的系統發育分類存在爭議。
自2015年起，中科院地質地球物理所李金華研究員與潘永信院士團隊，聯合中科院物理所、山東大學、法國巴黎第六大學、澳大利亞國立大學等國內外多個單位的科研人員針對環境中未培養的趨磁細菌，開展生物地磁學和地球生物學多學科交叉研究。他們首先建立了一種「螢光-電子顯微鏡聯用」新技術（FISH-SEM和FISH-TEM），將趨磁細菌種類鑑定的螢光顯微鏡觀測信號與磁小體結構觀測的電子顯微鏡觀測信號結合起來，首次在單細胞水平實現了未培養趨磁細菌的種類鑑定和生物礦化研究（Li et al.,Appl. Environ. Microbiol.2017, 83(12), doi: 10.1128/AEM.00409-17.）。在此基礎上，該研究團隊對來自北京密雲水庫、西安未央湖、天津於橋水庫、秦皇島石河入海口以及大連夏家河等淡水、海水以及半鹹水環境的沉積物中的趨磁球菌進行首次大規模的生物和礦物多樣性鑑定，在單細胞水平上鑑定了20種新型的趨磁球菌。其中，有12株是前人從未報導過的新序列（16S rDNA與所有前人報導過的序列相似度均低於97%），另外8株與前人報導過的序列有較高（≥97%）相似度，但磁小體的形貌和結構未被鑑定（Zhang et al.,Front. Microbiol., 2017；Liu et al.,Environ. Microbiol., 2020, doi: 10.1111/1462-2920.15254）。
20種趨磁球菌的生物（系統發育）和磁小體形貌多樣性。（A）基於16S rDNA序列的趨磁球菌系統發育進化樹。（B-U）20株趨磁球菌的透射電子顯微鏡照片。圖A每個細菌後的編號與透射電鏡中顯示的細菌是一一對應的。
在成功鑑定了這20株未培養趨磁細球菌的基礎上，該研究團隊綜合微生物分子生態學和透射電子顯微學，對這些趨磁細菌進行了深入研究。系統發育分析結果顯示，所有的趨磁球菌的16S rDNA序列都聚類在變形菌門一個獨立的分支上。這支持了前人認為趨磁球菌應獨立為變形菌門當中一個新的綱——η-變形菌綱的觀點。
趨磁球菌屬於變形菌門的一個新綱——η-變形菌綱。本圖共總結了29種趨磁球菌，其中前人共鑑定了了9種，其餘20種為本研究團隊所鑑定。
電子顯微學分析結果表明，趨磁球菌均為直徑在~1.0微米到~2.5微米之間的球型或卵球型細胞。此外，趨磁球菌的磁小體鏈結構分為四類，分別為單鏈、雙鏈、四鏈和非直鏈排列。磁小體的形貌有八面體、立方八面體和拉長的稜柱形。大多數趨磁球菌能合成10個左右的磁小體，但部分菌株，如DMHC-6和WYHC-2，幾十個到上百個左右的磁小體。磁小體的平均長度在60 nm到114 nm之間，平均寬度在36 nm到86 nm之間。