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深海噴口中的細菌如何處理有毒金屬環境

時間：2025-12-10 06:41:26 來源：網絡整理編輯：焦點

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來自深海熱液噴口的活躍煙囪，位于沖繩海槽，堺油田Noho站點）。圖片來源：全球海洋環境信息中心 GODAC）神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網作者：Dani Ellenby，沖繩科學技術研究

來自深海熱液噴口的活躍煙囪，位于沖繩海槽，噴口堺油田（Noho站點）。細菌圖片來源：全球海洋環境信息中心（GODAC）
（神秘的何處地球uux.cn）據美國物理學家組織網（作者：Dani Ellenby，沖繩科學技術研究所）：在想象深海時，毒金我們經常會想到一片寒冷、深海屬環黑暗、噴口空曠的細菌荒原，稀疏的何處深海生物。但在海床的毒金裂縫中，被地球巖漿過熱并富含地殼礦物質的深海屬環海水向上涌出，形成熱液噴口，噴口作為多樣化和獨特海洋生態系統的細菌綠洲。
為地球上大多數生命提供動力的何處陽光無法穿透這些廣闊的深處。相反，毒金這里的生物，如管蟲、螃蟹和貽貝，都依賴細菌，細菌可以從噴口釋放的化合物中捕獲化學能。
現在，沖繩科學技術研究所（OIST）的一組研究人員與日本海洋地球科學技術機構（JAMSTEC）合作，確定了細菌如何適應熱液噴口釋放的有毒金屬。他們的研究結果發表在《環境微生物學》雜志上。
“熱液噴口可能是地球上發現的最極端的環境，高壓，高溫，沒有氧氣和豐富的有毒金屬，”海洋生物物理學部門的前博士后研究員Angela Ares博士（Satoshi Mitarai教授）說。“細菌是神奇的生物，并且已經設法適應了這種具有挑戰性的條件。了解他們如何成功可能會導致真正重要的應用，例如清理泄漏到環境中的有毒金屬的新解決方案。
在這項研究中，Ares博士和她的同事專注于Nitratirutorsp.SB155-2的金屬耐受策略。這種細菌是從沖繩海槽的噴口中分離出來的，并由JAMSTEC培養并提供給OIST。
深海噴口中的細菌如何處理有毒金屬環境

暴露于鎘的細菌（右）比未暴露于鎘的細菌（左）更容易形成鞭毛。信用：OIST
總的來說，細菌處理有毒金屬有三種主要方式。一種方法是連續地將細胞內的金屬離子泵回周圍環境。另一種策略是將有毒金屬隔離成細胞內的顆粒，這樣它們就不會干擾細菌的代謝反應。最后，細菌可以制造和釋放酶，使金屬結晶或沉淀成細胞外的無毒化合物。
研究人員尋找細菌策略的異同，以應對這些噴口中常見的兩種不同金屬鎘和銅。
“這兩種金屬即使在低濃度下也是有毒的，但有一個關鍵的區別 - 細菌需要微量的銅，而鎘沒有已知的生物學功能，”Ares博士解釋說。“我們預計細菌因此可能對銅具有比鎘更復雜的反應，因此銅濃度可以得到密切調節。
研究人員首先確定了細菌在停止生長之前可以耐受的每種金屬的最高濃度。然后，研究小組將用這些水平的有毒金屬培養的細菌與沒有有毒金屬培養的細菌進行了比較，以了解哪些基因或多或少具有活性，哪些蛋白質或多或少豐富。
研究人員發現，細菌使用轉運蛋白作為一般的非特異性策略，將鎘和銅從細胞中泵出。然而，細菌對這兩種金屬的反應也存在明顯差異。
深海噴口中的細菌如何處理有毒金屬環境

深海熱液噴口細菌具有含鎘顆粒（光斑），當暴露于高濃度的有毒金屬鎘時，這些顆粒會變得更大、更豐富。信用：OIST
“對于銅，我們發現涉及與運輸泵相關的基因數量要多得多，以及其他與壓力相關的途徑所涉及的基因。這表明對銅的反應確實更加復雜，可以微調銅濃度，“Ares博士說。
另一方面，細菌也使用銅未見的方法對鎘做出反應。最令人驚訝的反應之一是參與鞭毛形成和趨化性（響應化學線索的運動）的基因活性增加。
“測量基因表達是一回事，但眼見為實，所以我們使用掃描電子顯微鏡檢查了細菌，”Ares博士說。“令人驚訝的是，暴露于鎘的細菌確實比我們的非應激細菌更容易有鞭毛。
鞭毛有助于推動細菌四處走動，因此一種可能的解釋是，當鎘含量過高時，應激細菌會試圖移動到更有利的環境中。趨化性在這里也發揮作用，因為細菌遠離或走向特定的化學線索以找到更好的生長條件，而不僅僅是隨機移動。
OIST最先進的電子顯微鏡還使該團隊能夠檢測細菌細胞壁外部沉淀物硫酸鎘的積聚。研究人員還發現，細菌內的顆粒也含有鎘，變得更大更豐富。
“看到細菌使用這些方法來解毒鎘真的很令人興奮，因為它為科學家提供了一條新的途徑來探索在不依賴碳密集型方法的情況下清理重金屬，”Ares博士說。

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