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緊密耦合的微生物群落在時空尺度上調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)循環(huán)，這通常無法通過傳統(tǒng)分析方法進行檢測。粉紅色漿果提供了一個可訪問的模型系統(tǒng)來研究與聚集體相關(guān)的“神秘”硫循環(huán)，這一過程可能在全球生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化中發(fā)揮重要作用。例如，在海洋系統(tǒng)中，據(jù)報道，在來自最低氧區(qū)的未檢測到硫化物的區(qū)域中存在豐富的硫化物氧化譜系（SUP05、SAR324、Agg47）（Walsh等人，2009年；Canfield等人，2010年；Fuchsman等人）al.,2011)到含氧深海(Swan et al.,2011)。有關(guān)這些硫化物氧化譜系與下沉有機顆粒（海洋雪）相關(guān)的報告表明，它們與硫酸鹽還原物種存在同養(yǎng)伙伴關(guān)系，盡管尚未證明這種還原硫化合物的種間轉(zhuǎn)移。最近的工作還表明，來自酸性礦山排水的聚生體（Norlund都發(fā)生了種間硫轉(zhuǎn)移等人，2009年）和負(fù)責(zé)深海甲烷厭氧氧化的同養(yǎng)聚生體（Milucka等人，2012年）。
粉紅色漿果，主要由紫色硫細(xì)菌物種（PB-PSB1，Chromatiaceae）和推定的硫酸鹽還原細(xì)菌物種（PB-SRB1，聚生體Desulfobulbaceae）組成的，提供了一個易于處理的系統(tǒng)來開始解密驅(qū)動硫循環(huán)的微生物代謝伙伴關(guān)系在微觀層面。基于系統(tǒng)發(fā)育信息（即這些物種養(yǎng)殖近緣種的生理學(xué)）和粉紅色漿果的保守空間結(jié)構(gòu)的組合，我們假設(shè)PB-SRB1對漿果內(nèi)硫酸鹽的還原為PB-PSB1提供了硫化物的局部來源（圖.9).即使在外源硫化物含量低或不存在的情況下，這種關(guān)聯(lián)也會使PB-PSB1保持光合活性，例如在峰值光照條件下，當(dāng)沉積物中的趨化層相對于其夜間水平向下移動幾厘米時（Revsbech等人，1983年）；狄龍等人，2009年）。驅(qū)動硫酸鹽還原的電子供體可以由光合產(chǎn)物局部提供，也可以由沉積物外源提供（圖9）。宏基因組測序證實了這種漿果內(nèi)硫循環(huán)的遺傳潛力；硫酸鹽還原和硫化物氧化的完整代謝途徑分別存在于PB-SRB1和PB-PSB1的基因組中。
圖9
粉紅色漿果財團中硫循環(huán)的模型。PB-SRB1（綠色棒）將硫酸鹽還原為硫化物，氧化來自外源沉積物來源或由PB-PSB1產(chǎn)生的本地提供的光合產(chǎn)物的各種電子供體。PB-PSB1（粉紅色球菌）消耗自養(yǎng)硫化物，將硫化物氧化成硫酸鹽，并在細(xì)胞內(nèi)儲存元素硫（S 0，淡黃色圓圈）。如果PB-PSB1細(xì)胞裂解，PB-SRB1（灰色虛線箭頭）可能會減少和/或使細(xì)胞內(nèi)硫不成比例。PB-PSB1(HS一些電子供體-)和PB-SRB1（H 2或脂肪酸）的也可能由沉積物流出的化合物（波浪線）外源提供。白天，光養(yǎng)型PB-PSB1將CO固定2到生物質(zhì)中，而在夜間，它可以通過呼吸元素硫和細(xì)胞內(nèi)碳水化合物儲備并產(chǎn)生硫化物來獲取維持能量。盡管PB-SRB1基因組表明具有固定CO的遺傳潛力2，但我們的穩(wěn)定和放射性碳實驗的結(jié)果表明，在我們的孵化條件下，PB-SRB1對漿果中的碳固定沒有顯著貢獻。
為了測試這種代謝模型，使用高分辨率地球化學(xué)方法（SIMS、nanoSIMS、微伏安法）來跟蹤從硫代謝物庫到細(xì)胞特異性硫同化和生物分子的神秘硫循環(huán)。Sulfur-34穩(wěn)定同位素標(biāo)記使我們能夠跟蹤聚集體中硫的流動，從PB-SRB1對硫酸鹽的還原，到種間轉(zhuǎn)移和摻入PB-PSB1細(xì)胞。在與孵育后34富含S的硫酸鹽，我們在PB-PSB1細(xì)胞中觀察到點狀、溶劑不穩(wěn)定的硫34富集（圖8），這與細(xì)胞內(nèi)硫球中標(biāo)記硫的積累一致（圖3）。
PB-PSB1的這種硫34富集不太可能通過直接摻入同位素標(biāo)記的硫酸鹽而發(fā)生。的細(xì)胞硫Chromatiaceae物種主要由元素硫的周質(zhì)儲存（細(xì)胞總重量的34%）支配，它完全來自還原硫池（Dahl和Prange，2006年）。此外，許多染色科，包括與PB-PSB1最接近的培養(yǎng)近緣種，無法同化硫酸鹽(Dahl,2008;Kumar et al.,2009)。即使在那些可以同化硫酸鹽的物種中，這一過程也被認(rèn)為在缺氧光石營養(yǎng)生長過程中受到抑制（Neumann等人，2000年；Sander和Dahl，2008年）。在光有機營養(yǎng)生長過程中，模型Chromatiaceae物種Allochromatium vinosum通過cysTWA硫酸鹽ABC轉(zhuǎn)運蛋白和硫酸鹽cysDN解酶同化ATP-硫同化。這些基因的同源物在PB-PSB1基因組中未發(fā)現(xiàn)，以及對整個組裝宏基因組數(shù)據(jù)恢復(fù)搜索從基因更密切相關(guān)的那些從生物體只有遙遠(yuǎn)的序列匹配擬桿菌，α-變形菌或Desulfobulbaceae。
由于直接34 PB-PSB1細(xì)胞不太可能摻入S-硫酸鹽，我們建議PB-SRB1將34 S-硫酸鹽標(biāo)記還原為硫化物，然后被PB-PSB1吸收并重新氧化為元素硫（圖3）。9）。與此解釋相一致，我們發(fā)現(xiàn)，粉紅色漿果迅速氧化硫化物（圖6 A）和的積累34在PB-PSB1 S-標(biāo)簽被依賴于硫酸鹽還原細(xì)菌（圖的活性8 C）。當(dāng)鉬酸鈉抑制硫酸鹽還原時，未觀察到Sulfur-34富集。雖然將“特定”抑制劑（例如鉬酸鹽）應(yīng)用于混合微生物種群可能會對非目標(biāo)生物產(chǎn)生意想不到的后果（Oremland和Capone，1988年），但我們已經(jīng)通過證明紅外線不會直接抑制PB-PSB1在外源硫化物存在的情況下，在短時間（1-4小時）孵育期間的光依賴性碳固定（圖8 D）。在較長的溫育，其中外源硫化物成為限制性的（4天），鉬酸治療減少碳（圖的光依賴性固定8 C）。SRB抑制導(dǎo)致初級生產(chǎn)力的降低支持了這樣的假設(shè)，即自養(yǎng)供應(yīng)的硫化物緩沖液PB-PSB1免受間歇性硫化物剝奪。
在確定了粉紅色漿果中硫酸鹽還原的重要性之后，我們試圖描述粉紅色漿果中還原硫的池。PB-SRB1和PB-PSB1的密切物理關(guān)聯(lián)（圖4）表明還原硫物質(zhì)的再氧化發(fā)生在非常短的時空尺度上。以前使用克拉克型硫化物微電極的研究無法檢測到硫化物（Seitz等，1993年），我們只能偶爾使用微伏安法和克拉克型硫化物微電極測量非常大的聚集體中微摩爾濃度的硫化物（圖.6乙）。硫化物池的短暫性質(zhì)支持我們在這種密切耦合的代謝伙伴關(guān)系中快速消耗硫化物的預(yù)測。在我們描述的條件下，觀察到粉紅色漿果是硫化物的凈消費者。然而，消費和生產(chǎn)之間的這種平衡可能受到許多因素（例如光周期的強度和持續(xù)時間、溫度、電子供體供應(yīng)）的影響，需要進一步研究以更好地闡明聚生體中硫化物通量的決定因素。
在漿果中檢測到的這種硫化物的最可能來源是PB-SRB1對硫酸鹽的還原。然而，硫化物也可以通過其他幾種代謝過程產(chǎn)生（圖9），包括：(i)PB-SRB1還原元素硫，(ii)PB-SRB1使元素硫或硫代硫酸鹽歧化或(iii)PB-PSB1對儲存的碳水化合物進行暗相呼吸并伴隨周質(zhì)元素硫儲備的減少，產(chǎn)生聚羥基鏈烷酸酯和硫化物（van Gemerden，1968年；Rothermich等，2000年）。為了進一步了解粉紅色漿果硫循環(huán)的地球化學(xué)，我們表征了這種漿果內(nèi)硫化物的空間分布和穩(wěn)定同位素組成。
硫的氧化池和還原池之間穩(wěn)定同位素比率的差異被廣泛用于硫循環(huán)的現(xiàn)代和古生態(tài)重建（Canfield和Teske，1996年；Habicht等人，1998年；Canfield，2001年；Hurtgen等人，2005年；Fike等人，2006年；Fike和Grotzinger，2008年；Sim等人，2011a)。由無氧光養(yǎng)生物（例如PB-PSB1）介導(dǎo)的硫化物氧化被認(rèn)為對硫同位素的分餾影響很?。↖vanov等人，1977年；Fry等人，1984年；1985年；Zerkle等人，2009年）。然而，硫酸鹽還原和硫歧化都可以產(chǎn)生相對于起始硫酸鹽庫而言重穩(wěn)定同位素顯著耗盡的硫化物（Canfield，2001年；Sim等，2011a）。盡管廣泛使用硫同位素分餾來推斷硫循環(huán)，但我們對這些測量中編碼的微生物代謝信息的理解主要基于單一物種的純培養(yǎng)研究（Kaplan和Rittenberg，1964年；Kemp和Thode，1968年；Sim et al.,2011b)或在微生物群落特征較差的原位地球化學(xué)測量中(Habicht和Canfield,2001;Brüchert,2004)。
毫米大小的粉紅色漿果聚生體提供了一個約束良好的多物種生態(tài)系統(tǒng)，可以在其中檢查硫同位素組成（δ微米級空間變化34 S硫化物）的。在銀線上使用硫化物捕獲，該技術(shù)最初用于放射性示蹤劑35 S測量（Cohen，1984年；Visscher等人，2000年；Dubilier等人，2001年），結(jié)合SIMSδ34 S測量，闡明了增加的梯度硫化物濃度和同位素消耗（較低的δ34從外圍到大粉紅色漿果中心的S值）（圖7）。在漿果中觀察到的這些同位素地球化學(xué)梯度類似于到的δ34 S硫化物從銀盤上SIMS橫斷面觀察趨勢，穿過格雷羅內(nèi)格羅光合墊的氧化層（Fike和Grotzinger，2008年；Fike等人，2008年；2009年）。
在漿果中觀察到的硫化物-硫酸鹽分餾范圍（外圍15‰至聚集體中心53‰）與硫酸鹽還原菌純培養(yǎng)物報告的值一致，范圍從0‰到66‰（Sim等，2011a)。大的同位素分餾，例如在漿果中心觀察到的那些，可以由(i)緩慢生長的硫酸鹽還原細(xì)菌與難治性或生長限制濃度的電子供體一起產(chǎn)生（Sim等人，2011a,b；Leavitt等人，2013年），或(ii)還原和氧化過程耦合代謝活動的逐步方式（例如PB-PSB1的光養(yǎng)硫化物氧化或PB-SRB1的中間氧化態(tài)硫歧化；參見支持信息S1更詳細(xì)地討論可能產(chǎn)生觀察到的同位素梯度的機制）。
在屬中培養(yǎng)的PB-SRB1 Desulfofustis和Desulfocapsa親緣關(guān)系能夠進行硫酸鹽還原和元素硫或硫代硫酸鹽的歧化（Finster，2008年），證實了我們的同位素發(fā)現(xiàn)，這表明歧化可能有助于粉紅色漿果硫化物池。生態(tài)生理學(xué)和基因組數(shù)據(jù)都強烈支持PB-SRB1能夠還原硫酸鹽的結(jié)論，盡管PB-SRB1使元素硫或硫代硫酸鹽歧化的基因組證據(jù)仍然不太清楚。盡管最近對測序，但歧化所需的確切基因組仍然未知Desulfocapsa sulfexigens（劑）進行一種不能進行硫酸鹽還原的硫歧化了（Finster等人，2013年）。除了亞硫酸鹽氧化還原酶(Frederiksen and Finster,硫歧化途徑似乎涉及許多用于硫酸鹽還原的相同基因，在2003)外，PB-SRB1和D.sulfexigens(Finster等人，2013年）。
在純培養(yǎng)中，只有在硫化物匯存在的情況下才描述了元素硫歧化的生長，該硫化物匯保持外源硫化物濃度低，為該反應(yīng)提供熱力學(xué)有利條件（Canfield等人，1998年；Finster，2008年）。PB-PSB1對硫化物的光養(yǎng)消耗在聚生體中提供了一個生物硫化物匯，可以為元素硫歧化創(chuàng)造一個有吸引力的生態(tài)位，具有豐富的硫沉積物和低濃度的硫化物。如果硫化物達(dá)到更高的濃度，多硫化物的歧化可能成為PB-SRB1代謝策略的重要組成部分。最近對厭氧甲烷氧化財團的研究表明，至少一些硫酸鹽還原財團成員可以通過元素硫與硫化物的非生物反應(yīng)使硫化環(huán)境中形成的二硫化物不成比例（Milucka等，2012）。
結(jié)論
追蹤在天然微生物群落中驅(qū)動微尺度生物地球化學(xué)過程的種間代謝交換仍然是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，層狀光合微生物墊中的生物地球化學(xué)循環(huán)已經(jīng)研究了幾十年（例如Canfield和Des Marais，1993年；Decker等人，2005年；Baumgartner等人，2009年；Petroff等人，2011年），但微生物相互作用控制底物通量（Burow等人，2013年）和地球化學(xué)特征（Fike和Grotzinger，2008年；Fike等人，2008年）才剛剛開始被理解。使用粉紅色漿果，我們展示了如何使用綜合微生物學(xué)和微地球化學(xué)方法來解密在微觀尺度上驅(qū)動硫循環(huán)的微生物代謝伙伴關(guān)系。這種方法最終可能用于檢查更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，提供了同養(yǎng)種間硫轉(zhuǎn)移的直接證據(jù)。
硫化物豐度和同位素組成空間梯度的SIMS分析為這種微尺度硫循環(huán)提供了地球化學(xué)背景。我們發(fā)現(xiàn)值得注意的是，即使在這個描述充分、多樣性有限的系統(tǒng)中，觀察到的硫化物同位素變化也可以用許多不同的合理場景來解釋，從單獨的硫酸鹽還原到一系列耦合的還原和氧化過程（另見支持信息S1)。這種模糊性表明，單獨使用此類數(shù)據(jù)重建更復(fù)雜的沉積系統(tǒng)（包括古代和現(xiàn)代）中的硫循環(huán)時應(yīng)該小心。雖然我們已經(jīng)證明了硫循環(huán)的一部分（硫酸鹽還原和硫化物氧化）的活性，但我們的工作和其他基于硫的同養(yǎng)物（Norlund等人，2009年；Milucka等人，2012年）的數(shù)據(jù)表明，也可能存在存在一個涉及中間氧化態(tài)硫物質(zhì)（例如元素硫、二硫化物、硫代硫酸鹽）的代謝相互作用網(wǎng)絡(luò)，仍有待探索。
《鹽堿地沼澤中的光養(yǎng)粉紅色貝類的微量硫循環(huán)》——概括 、介紹
《鹽堿地沼澤中的光養(yǎng)粉紅色貝類的微量硫循環(huán)》——結(jié)果
