Nature：重磅！首次发现以锰为食和能量来源的细菌
来源：本站原创 2020-07-22 11:49
2020年7月22日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国加州理工学院的研究人员发现了以锰为食的细菌，并将这种金属作为它们的热量来源。早在一个多世纪前就有人预测这类微生物的存在，但在此之前从未被发现或描述。相关研究结果于2020年7月15日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Bacterial chemolithoautotrophy
2020年7月22日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国加州理工学院的研究人员发现了以锰为食的细菌，并将这种金属作为它们的热量来源。早在一个多世纪前就有人预测这类微生物的存在，但在此之前从未被发现或描述。相关研究结果于2020年7月15日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Bacterial chemolithoautotrophy via manganese oxidation”。
论文通讯作者、加州理工学院环境微生物学教授Jared Leadbetter说，“这是第一种被发现以锰为燃料来源的细菌。自然界中微生物的一个奇妙之处在于，它们可以代谢看似不太可能的物质，比如金属，产生对它们的细胞有用的能量。”
这项研究还揭示，这种细菌可以利用锰将二氧化碳转化为生物量（biomass），这一过程被称为化能合成（chemosynthesis）。此前，科学家们已知道有一些细菌和真菌可以氧化锰，或者剥夺锰的电子，但是他们只是推测尚未被发现的微生物可能能够利用这一过程来促进生长。
Leadbetter在使用一种类似白垩的锰进行不相关的实验后，偶然发现了这种细菌。他让一个沾有这种锰的玻璃缸浸泡在他在加州理工学院的办公室的水池的自来水里，然后离开学校去工作了几个月。当他回来时，玻璃缸上出现了黑色的物质。
他解释说，“我想，'那是什么？'我开始想知道这是否是寻找已久的微生物所为，因此我们系统性地进行了测试，以弄清这一点。”
这个黑色涂层其实是新发现的细菌产生的氧化锰，这种细菌很可能来自自来水本身。他说，“有证据表明，这些生物的近亲生活在地下水中，美国加州帕萨迪纳市的一部分饮用水是从当地的地下蓄水层抽上来的。”
锰是地球表面最丰富的元素之一。锰氧化物以深色、块状物质的形式存在，在自然界中很常见；它们在地下沉积物中被发现，也可以在水分配系统中形成。
Leadbetter说，“有一系列关于饮用水分配系统被锰氧化物堵塞的环境工程文献。但是，这种物质如何和为何在那里产生，一直是个谜。显然，许多科学家们已考虑到利用锰作为能源的细菌可能是罪魁祸首，但是在此之前一直缺乏支持这一想法的证据。”
这一发现有助于人们更好地理解地下水的地球化学特性。众所周知，细菌可以降解地下水中的污染物，这一过程称为生物修复（bioremediation）。在这样做的时候，几种关键的生物会 “还原”氧化锰，这意味着它们会向氧化锰提供电子，这种方式类似于人类使用空气中氧气的方式。科学家们一直想知道，氧化锰最初是从哪里来的。
Leadbetter说，“我们发现的这种细菌能够产生它，因此它们的生活方式也可以为其他微生物提供所需的物质，以进行我们认为有益和可取的反应。”
这些研究结果还可能与理解分布在海底大部分地区的锰结核（manganese nodule）有关。这些圆形的金属球，可以像柚子一样大，早在19世纪70年代HMS挑战者号的巡航中就被海洋科学家们所认识。此后，在地球的许多海洋底部都发现了这种锰结核。近年来，采矿公司一直在计划收集和开发这些锰结核，这是因为人们经常发现稀有金属集中在其中。
但是对于这些锰结核是如何形成的，人们却知之甚少。Leadbetter和论文第一作者、加州理工学院的Hang Yu如今想知道，他们在淡水中发现的类似微生物是否会起作用，他们计划进一步研究这个谜团。Yu说，“这强调了在海洋锰结核被开采破坏之前更好地了解海洋锰结核的必要性。”
加州理工学院地球生物学教授Woodward Fischer（未参与这项新的研究）说，“Leadbetter和Yu的这一发现填补了我们对地球元素周期表的理解中的一个重大知识空白，并增加了锰这种神秘但常见的过渡金属塑造我们星球上生命进化的多种方式。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
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
图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2468-5。
论文通讯作者、加州理工学院环境微生物学教授Jared Leadbetter说，“这是第一种被发现以锰为燃料来源的细菌。自然界中微生物的一个奇妙之处在于，它们可以代谢看似不太可能的物质，比如金属，产生对它们的细胞有用的能量。”
这项研究还揭示，这种细菌可以利用锰将二氧化碳转化为生物量（biomass），这一过程被称为化能合成（chemosynthesis）。此前，科学家们已知道有一些细菌和真菌可以氧化锰，或者剥夺锰的电子，但是他们只是推测尚未被发现的微生物可能能够利用这一过程来促进生长。
Leadbetter在使用一种类似白垩的锰进行不相关的实验后，偶然发现了这种细菌。他让一个沾有这种锰的玻璃缸浸泡在他在加州理工学院的办公室的水池的自来水里，然后离开学校去工作了几个月。当他回来时，玻璃缸上出现了黑色的物质。
他解释说，“我想，'那是什么？'我开始想知道这是否是寻找已久的微生物所为，因此我们系统性地进行了测试，以弄清这一点。”
这个黑色涂层其实是新发现的细菌产生的氧化锰，这种细菌很可能来自自来水本身。他说，“有证据表明，这些生物的近亲生活在地下水中，美国加州帕萨迪纳市的一部分饮用水是从当地的地下蓄水层抽上来的。”
锰是地球表面最丰富的元素之一。锰氧化物以深色、块状物质的形式存在，在自然界中很常见；它们在地下沉积物中被发现，也可以在水分配系统中形成。
Leadbetter说，“有一系列关于饮用水分配系统被锰氧化物堵塞的环境工程文献。但是，这种物质如何和为何在那里产生，一直是个谜。显然，许多科学家们已考虑到利用锰作为能源的细菌可能是罪魁祸首，但是在此之前一直缺乏支持这一想法的证据。”
这一发现有助于人们更好地理解地下水的地球化学特性。众所周知，细菌可以降解地下水中的污染物，这一过程称为生物修复（bioremediation）。在这样做的时候，几种关键的生物会 “还原”氧化锰，这意味着它们会向氧化锰提供电子，这种方式类似于人类使用空气中氧气的方式。科学家们一直想知道，氧化锰最初是从哪里来的。
Leadbetter说，“我们发现的这种细菌能够产生它，因此它们的生活方式也可以为其他微生物提供所需的物质，以进行我们认为有益和可取的反应。”
这些研究结果还可能与理解分布在海底大部分地区的锰结核（manganese nodule）有关。这些圆形的金属球，可以像柚子一样大，早在19世纪70年代HMS挑战者号的巡航中就被海洋科学家们所认识。此后，在地球的许多海洋底部都发现了这种锰结核。近年来，采矿公司一直在计划收集和开发这些锰结核，这是因为人们经常发现稀有金属集中在其中。
但是对于这些锰结核是如何形成的，人们却知之甚少。Leadbetter和论文第一作者、加州理工学院的Hang Yu如今想知道，他们在淡水中发现的类似微生物是否会起作用，他们计划进一步研究这个谜团。Yu说，“这强调了在海洋锰结核被开采破坏之前更好地了解海洋锰结核的必要性。”
加州理工学院地球生物学教授Woodward Fischer（未参与这项新的研究）说，“Leadbetter和Yu的这一发现填补了我们对地球元素周期表的理解中的一个重大知识空白，并增加了锰这种神秘但常见的过渡金属塑造我们星球上生命进化的多种方式。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
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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