Nature：重磅！首次發現以錳為食和能量來源的細菌

2020-08-20 生物谷

在一項新的研究中，來自美國加州理工學院的研究人員發現了以錳為食的細菌，並將這種金屬作為它們的熱量來源。早在一個多世紀前就有人預測這類微生物的存在，但在此之前從未被發現或描述。相關研究結果於2020年7月15日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Bacterial chemolithoautotrophy via manganese oxidation」。

圖片來自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2468-5

論文通訊作者、加州理工學院環境微生物學教授Jared Leadbetter說，「這是第一種被發現以錳為燃料來源的細菌。自然界中微生物的一個奇妙之處在於，它們可以代謝看似不太可能的物質，比如金屬，產生對它們的細胞有用的能量。」
這項研究還揭示，這種細菌可以利用錳將二氧化碳轉化為生物量（biomass），這一過程被稱為化能合成（chemosynthesis）。此前，科學家們已知道有一些細菌和真菌可以氧化錳，或者剝奪錳的電子，但是他們只是推測尚未被發現的微生物可能能夠利用這一過程來促進生長。
Leadbetter在使用一種類似白堊的錳進行不相關的實驗後，偶然發現了這種細菌。他讓一個沾有這種錳的玻璃缸浸泡在他在加州理工學院的辦公室的水池的自來水裡，然後離開學校去工作了幾個月。當他回來時，玻璃缸上出現了黑色的物質。
他解釋說，「我想，&39;我開始想知道這是否是尋找已久的微生物所為，因此我們系統性地進行了測試，以弄清這一點。」
這個黑色塗層其實是新發現的細菌產生的氧化錳，這種細菌很可能來自自來水本身。他說，「有證據表明，這些生物的近親生活在地下水中，美國加州帕薩迪納市的一部分飲用水是從當地的地下蓄水層抽上來的。」
錳是地球表面最豐富的元素之一。錳氧化物以深色、塊狀物質的形式存在，在自然界中很常見；它們在地下沉積物中被發現，也可以在水分配系統中形成。
Leadbetter說，「有一系列關於飲用水分配系統被錳氧化物堵塞的環境工程文獻。但是，這種物質如何和為何在那裡產生，一直是個謎。顯然，許多科學家們已考慮到利用錳作為能源的細菌可能是罪魁禍首，但是在此之前一直缺乏支持這一想法的證據。」
這一發現有助於人們更好地理解地下水的地球化學特性。眾所周知，細菌可以降解地下水中的汙染物，這一過程稱為生物修復（bioremediation）。在這樣做的時候，幾種關鍵的生物會 「還原」氧化錳，這意味著它們會向氧化錳提供電子，這種方式類似於人類使用空氣中氧氣的方式。科學家們一直想知道，氧化錳最初是從哪裡來的。
Leadbetter說，「我們發現的這種細菌能夠產生它，因此它們的生活方式也可以為其他微生物提供所需的物質，以進行我們認為有益和可取的反應。」
這些研究結果還可能與理解分布在海底大部分地區的錳結核（manganese nodule）有關。這些圓形的金屬球，可以像柚子一樣大，早在19世紀70年代HMS挑戰者號的巡航中就被海洋科學家們所認識。此後，在地球的許多海洋底部都發現了這種錳結核。近年來，採礦公司一直在計劃收集和開發這些錳結核，這是因為人們經常發現稀有金屬集中在其中。
但是對於這些錳結核是如何形成的，人們卻知之甚少。Leadbetter和論文第一作者、加州理工學院的Hang Yu如今想知道，他們在淡水中發現的類似微生物是否會起作用，他們計劃進一步研究這個謎團。Yu說，「這強調了在海洋錳結核被開採破壞之前更好地了解海洋錳結核的必要性。」
加州理工學院地球生物學教授Woodward Fischer（未參與這項新的研究）說，「Leadbetter和Yu的這一發現填補了我們對地球元素周期表的理解中的一個重大知識空白，並增加了錳這種神秘但常見的過渡金屬塑造我們星球上生命進化的多種方式。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1.Hang Yu et al. Bacterial chemolithoautotrophy via manganese oxidation. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2468-5.
2.Bacteria with a metal diet discovered in dirty glassware
https://phys.org/news/2020-07-bacteria-metal-diet-dirty-glassware.html

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