“重度结石细菌”——小石子细菌Achromatium (1)

以前给大家科普过一种世界上最大的细菌,长得像珍珠项链的Thiomargarita,其直径可以达到接近一毫米,也就是肉眼可见的大小。

其实微生物界还有很多其他奇妙的细菌,今天介绍的是另一种颜值很高,秘密很多的小傲娇:Achromatium,(我送)外号:小石子细菌。

Achromatium属于Gammaproteobacteria,是一种极为特殊的硫化细菌,既可以生活在海边湿地,也可以在河口和淡水湖里生存。它们以硫化氢为食,适宜在含有中低浓度硫化氢的沉积物表层生长。没错,又双叒叕是那种黑色有点臭的泥巴,我以前已经不止一次的介绍了在这种泥巴里生活着的各种奇妙的微生物了。

这就是我最喜欢的黑色泥巴~基本每次采样都是这样的画风
体积最大的细菌有多大?www.zhihu.com图标

目前认为,Achromatium能够用氧气等先把硫化氢氧化成单质硫,然后储存在细胞内。在“食物”不足时,这些硫能被继续氧化形成硫酸盐,从而使细菌获得能量。这两个化学反应很重要,之后我会反复提到。

小石子细菌绝大多数呈椭球形,它们个头不一,小的有十几微米,一般有三十微米左右,而据Ian Head等人的文章,他们观察到过接近一百微米的个体。以前我是不太相信的,因为我自己观察了几千个细胞了,从来没见过那么大的。直到后来有一次,也是唯一的一次,我见到了一个接近120微米长的,“棒槌”形状的细胞,这才感慨我还是见得太少了……

言归正传,为啥叫它“小石子细菌”?

因为它最为特殊的一点,就是整个椭球形的细胞里塞满了大大小小的碳酸钙颗粒!就像下面图里面展示的一样。


一个正在准备分裂的Achromatium细胞,人们普遍认为其细胞内的大颗粒是碳酸钙,小颗粒是单质硫颗粒。
另一个小石子细菌,只能看到大颗粒,并无小颗粒的硫普遍存在

除了碳酸钙颗粒,大家普遍认为,存在于碳酸钙颗粒之间的小颗粒是硫,因为小石子细菌能够通过硫化氢的氧化,把硫储存在自己体内,就像其他硫化细菌一样。

在光学显微镜下,小石子细菌像是一粒粒闪光的白色米粒,放大仔细看,其实整个细胞有点晶莹剔透,就像题图中的照片那样,非常灵动。而它们的运动方式是滚动,所以看到一群“胖乎乎”的大米粒在显微镜下滚来滚去的样子,真是有莫名的萌感~

富集后的数百个细胞在显微镜下的样子

在1892年第一个发现了小石子细菌后, Wladimir Schewiakoff 认为这些胞内颗粒是草酸钙。后来其他人的实验将其成分修正为碳酸钙。而在Ian Head et al. 1996年的文章中,用XRD实验表明这些颗粒并不是普通碳酸钙,而是colloidal calcite。按照我的理解,其实是碳酸钙晶体处于一种“动态平衡”之中。

1913年West 和Griffiths - Hillhousia对于小石子细菌的手绘图

Achromatium这种独特的结石能力在自然界几乎是独一无二的。尽管后来发现了Cyanobacteria中也有几种能够生成钙化物颗粒,但其他种类的细菌所形成的胞内颗粒,无论是大小还是数量体积上,都是完全和Achromatium无法相比的,类似于业余和专业选手之间的比较。

自然而然的,很多相关问题就产生了:小石子细菌为什么要集聚形成这么多胞内碳酸钙颗粒呢?这些颗粒的作用是什么呢?这些颗粒是怎么形成的呢?

目前有几种比较主流的认识:

1. 这些“石子儿”是为了给细菌增加/减少重量,在深层泥土中的细菌体内碳酸钙含量多,而在表层泥中的细菌里含有的碳酸钙少,从而使得细菌能更方便的在泥土中锚定自己的位置。

关于这个观点,首先要注意的是关于“泥土”这个概念。在我们平常人的认识中,泥土大概就是能被手挖出,一块块成形的泥巴。但在“小石子细菌”经常被发现的地方,那里的“泥土”是非常稀软的烂泥,尤其是表层土,像是“泥汤”一样 ,细菌并没有太多可以“藏匿”的孔隙,所以才会有“定位”这一说。

乍一看,这似乎是个很直观完美的解释,还暗合我们人类社会的“减肥风”(划掉)。可问题是,在后续其他几个测定细胞内碳酸钙含量的实验中均发现,实际上在表层土中的小石子细菌体内,含有比深层土中更多的碳酸钙。也就是说,表层土中的细菌更“重”。也许“轻重”其实牵扯到更多的因素,也处于更为微妙的平衡中,这种关于重量的观点需要更加详细的解释。

2. 碳酸钙的溶解反应和细胞内的pH值直接相关,碳酸钙是作为一种buffer来调节胞内酸碱度。

大家通过初中化学就知道了,碳酸钙在碱性条件下形成,在酸性条件下溶解。在小石子细菌中,碳酸钙的形成和溶解,是和硫循环息息相关的。

在深层土中,含有更多硫化氢的条件下,小石子细菌通过氧化硫化氢,生成硫,存在细胞内。这个反应是消耗proton的过程,所以pH会上升,使得碳酸钙形成。

而在表层土中,细菌的食物——硫化氢的含量极低甚至没有,在这种条件下要生存,小石子细菌就会消耗体内的硫,通过氧气和硝酸盐等,氧化硫单质,生成硫酸。这是一个pH降低的过程,可以使得碳酸钙溶解。

对于绝大多数单细胞生物来说,维持一个稳定的胞内pH值是很重要的,因为pH会直接影响重要蛋白质和遗传物质的形成和稳定性。故而碳酸钙的这种buffer调节作用也就十分重要。

但这种看似完美的解释并非完美:为什么其他硫化细菌不需要碳酸钙buffer?为什么小石子细菌需要如此多的碳酸钙?

3. 碳酸钙的形成是通过调节钙离子浓度达成,而钙离子浓度可以对ATP的产生造成影响,所以碳酸钙的形成和细胞内的能量平衡有关。此观点的主要支持论据来源于metagenome和单细胞genome的测序结果。我自己对于这种纯粹由测序来推断可能性的结果持观望态度,所以不再赘述。

很多问题我们还没有办法解释清楚,是因为我们目前还无法对小石子细菌进行纯培养,所以也无法知道它们的“食谱”和行为习性。但如果在不久的将来,我们可以得到纯培养的细菌了,是不是说,我们有可能直接利用小石子细菌了呢?

比如,在平时使用的建筑材料中,如果因为混入气泡,或是其他原因,产生了细微的裂缝,便会大大影响建筑物的寿命和抗压度等。那我们是不是有可能在这样的裂缝中引入小石子细菌,使其大量繁殖,利用它们形成碳酸钙的能力,进行生物性修补建筑材料?如果可行,这将对深海石油平台等不利于人去工作的地方,产生巨大的作用。

另外还有一篇最近发表的小文章比较有意思,他们主要研究的是小石子细菌的“猎食者”——各种小型底栖动物,比如变形虫,纤毛虫等对于小石子细菌的选择。结论是比较显然的:个头大确实是有优势的,因为研究中发现的被吞食的小石子细菌,都是比较小的。看来即使在自己的专场,还是要长得更大才有更多生存机会。

Credit:Schorn & Cypionka, 2018

在看这篇文章之前,我很难想象,这种全身“结石”的细菌会有天敌……毕竟除了表面薄薄的一层,全身90%以上都是无法产生生物量的碳酸钙,吞食小石子细菌实在是个不太划算的“生意”。再加上其超级大的体型,应该很难入口吧?

但,像我这样愚蠢的人类,当然是无法理解神奇自然的各种用意的。

也许这些底栖动物想吃的是附着在小石子细菌表面生长的其他细菌,但我甚至会脑洞大开的想,是不是这些底栖动物也会有“胃酸过多”的问题(它们的food vacuoles通常像人的胃一样有低pH),从而需要吞食碳酸钙(更严格的说,是colloidal calcite)来中和“胃酸”?所以它们才会选择吃小石子细菌这种并不算可口的食物?

摇摇头灭掉这些脑洞。因为我们目前还无法纯培养小石子细菌,所以关于它们的研究还远远不够且并不深入。它们奇特的结构,它们能够在一个不断变化的环境中很好平衡各种改变的能力,它们可能的工业应用前景,都是十分美妙且值得深入研究的。

篇幅已经太长了……但还是无法描述出每次我在显微镜下看到这些闪闪发亮的美丽的白色小石子们时,心里不断涌出的感慨和喜爱。急于探索更多的秘密,和我们现有的技术的限制,这两者之间的矛盾让我一直有种“我还是没有找到合适的方法”的迷茫感……


预告:下一篇专门介绍Achromatium在电子显微镜下的微结构,非常美丽~


参考文献:

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Head IM, Gray ND, Howarth R, Pickup RW, Clarke KJ, Jones JG (2000). Achromatium oxaliferum - understanding the unmistakable. In: Schink B (ed). Advances in microbial ecology. Kluwer Academic/Plenum Publishers: New York. pp 1-40.

Babenzien HD (1991). Achromatium oxaliferum and its ecological niche. Zentralbl Mikrobiol 146: 41-49.

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Gray ND, Pickup RW, Jones JG, Head IM (1997). Ecophysiological evidence that Achromatium oxaliferum is responsible for the oxidation of reduced sulfur species to sulfate in a freshwater sediment Appl Environ Microbiol 63: 1905-1910.

Salman V, Yang T, Berben T, Klein F, Angert E, Teske, A (2015) Calcite-accumulating large sulfur bacteria of the genus Achromatium in Sippewissett Salt Marsh. The ISME Journal 9:2503-2514

Mansor M, Hamilton TL, Fantle, MS, Macalady J (2015) Metabolic diversity and ecological niches of Achromatium populations revealed with single-cell genomic sequencing. Frontiers in Microbiology 6:822, doi: 10.3389/fmicb.2015.00822

Schorn S, Cypionka H. (2018) A Crispy Diet: Grazers of Achromatium oxaliferum in Lake Stechlin Sediments. Microbial Ecology. doi: 10.1007/s00248-018-1158-4.