热球菌目介导硫化铁生物矿化：深海热液喷口极端环境下的铁解毒新机制

《Environmental Microbiology》：Iron Sulfides Produced by Thermococcales: An Iron Detoxification Mechanism

本研究揭示了超嗜热古菌热球菌目（Thermococcales）通过诱导硫化铁（FeS）快速沉淀并转化为黄铁矿（FeS2）的独特生物矿化机制。该过程作为一种群体水平的铁解毒策略，部分细胞牺牲自身形成黄铁矿球粒，有效固定过量溶解铁，而存活细胞则激活DNA修复与金属解毒基因（如超氧化物还原酶SOR），从而在富含铁和硫化物的热液喷口极端环境中实现种群延续。这一发现阐明了微生物对高压高温环境的适应性进化，为理解深海铁硫循环及早期生命生存策略提供了新视角。

　　

引言

生命体需要金属离子执行基本功能，但过量金属暴露会导致细胞损伤。热球菌目（Thermococcales）作为栖息于热液喷口最热区域的硫还原古菌，演化出在富含铁和硫化物环境中繁衍生息的机制。本研究通过模拟富硫热液烟囱环境，证实热球菌目促进的硫化铁矿物沉淀有助于群体对高浓度铁诱导的活性物种产生适应性。

热球菌目细胞存在下FeS₂黄铁矿球粒的形成

在添加不同浓度（0.1毫摩尔和1.0毫摩尔）铁（FeCl₂或FeSO₄）后，仅在细胞存在条件下数十分钟后出现黄铁矿球粒。选区电子衍射（SAED）图谱显示球粒内部为FeS₂黄铁矿，X射线衍射（XRD）结果进一步验证了黄铁矿的存在。在低铁浓度（0.1毫摩尔 FeSO₄）下，仍可观察到黄铁矿球粒，但数量较少；而在高铁浓度（1毫摩尔 FeSO₄）下，球粒聚集成大簇。值得注意的是，使用FeCl₂时黄铁矿球粒的出现早于FeSO₄。此外，在25°C和45°C的较低温度下也能形成黄铁矿球粒，但数量远少于85°C。经戊二醛固定的细胞则无法产生黄铁矿，表明完整的细胞表面结构对矿物成核至关重要。

热球菌目细胞对铁沉淀的影响

溶解铁浓度测量显示，在添加1毫摩尔 FeSO₄后，无论细胞存在与否，溶解铁浓度均从1毫摩尔立即降至110-160微摩尔。然而，在细胞存在条件下，24小时后溶解铁浓度急剧下降至约20微摩尔，而无细胞条件下仅缓慢降至70微摩尔左右。这表明细胞的存在显著加快了铁沉淀速率。透射电镜（TEM）观察发现，在铁诱导初期形成主要由FeS组成的无定形或结晶较差的矿物基质。随着时间推移，该基质密度降低，电子致密的黄铁矿球粒开始出现（约72小时后），并逐渐聚集形成更大团簇。无细胞对照组中未观察到球粒，FeS基质始终占主导。

1毫摩尔 FeSO₄条件下存活细胞群体的持续存在

在1毫摩尔 FeSO₄条件下，整个矿化实验期间仍能维持存活细胞群体。流式细胞术计数显示，有铁和无铁条件下的细胞浓度变化趋势相似，但加铁后种群下降速率较慢。细胞ATP浓度在两种条件下无显著差异。活-死染色实验揭示，铁添加1小时后出现大量死细胞，但同一区域仍存在活细胞；72小时后，死细胞比例减少，活细胞在矿化环境中占主导。共定位分析和电镜观察证实细胞与FeS基质共存，受损细胞膜结构被破坏，S层缺失，细胞表面附近存在针状FeS纳米晶体。

铁诱导72小时后全基因组转录组分析

铁诱导72小时后，监测到236个转录变化（|log2倍数变化| > 2且p值 < 0.001），其中149个基因上调（63%），87个基因下调。约40%的调控基因编码功能未知蛋白。上调基因主要富集于转运蛋白和通透酶（如ABC转运蛋白、MFS超家族）、铁稳态（如FeoA/FeoB家族铁(II)转运蛋白）、磷酸盐稳态、pH稳态、氧化应激响应（如超氧化物还原酶SOR、红素氧还蛋白、过氧化氧还蛋白）以及DNA修复和染色体结构（如NurA、Rad50、Mre11、TrmBL2、反向旋转酶）等相关通路。下调基因主要涉及大分子（核酸、蛋白质、脂质）生物合成、氨基酸（如组氨酸合成途径）和维生素合成以及转录、翻译和核糖体生物合成等过程。该转录响应表明细胞在铁胁迫下将能量从合成代谢重新分配到解毒和基因组维护。

讨论

热球菌目通过生物矿化作用诱导结晶良好的FeS沉淀并转化为FeS₂黄铁矿。细胞表面S层作为矿物成核模板，细胞内活性硫在黄铁矿形成中起关键作用。黄铁矿球粒的形成可理解为一种铁和多硫化物解毒策略：部分细胞牺牲自身，通过矿化固定过量铁，使存活细胞能够激活经典的铁、活性氧（ROS）或活性硫物种（RSS）解毒途径。这种群体异质性可能是由FeS纳米颗粒布朗运动等随机效应驱动，类似于生物膜和多细胞生物的种群动态。本研究阐明了热球菌目在热液喷口铁硫循环中的关键角色及其对极端化学胁迫的适应性机制。

结论

本研究为热球菌目介导的硫化铁生物矿化提供了新见解，揭示了微生物对黄铁矿沉淀的显著影响。研究发现强调了细胞内活性硫和S层结构在实验室条件下调控黄铁矿成核和生长的关键作用。即使在次优生长温度和低铁可用性条件下也能形成黄铁矿，表明热球菌目可能在其最适温度生态位之外的热液烟囱梯度中对铁和硫循环有所贡献。这项工作促进了对微生物介导矿化过程的理解，并强化了热球菌目作为研究极端环境生物地球化学转化模型生物的价值。