铁是地壳中丰度最高的过渡金属元素, 也是生物体所必需的重要营养元素之一. 在水环境中, 还原态的铁是许多微生物的重要能量来源, 如嗜中性微好氧铁氧化细菌(Hallberg 和 Ferris, 2004). 在氧气充足的近中性水环境中, Fe(II)的氧化半衰期约为 2~10min(Neubauer 等, 2002; Stumm 和 Morgan, 1981), 给该环境中的铁氧化菌的生存带来挑战(Bird 等, 2011),因此该类铁氧化菌大多生活在微氧的环境下(氧气浓度小于 1 mg L-1)(Ehrlich 和 Newman, 2009). 在近中性 pH 的微氧环境中, 二价铁离子相对稳定, 其氧化半衰期可延长至大气氧环境下的 300 倍(Roden 等,2004), 铁氧化菌能够与环境中的氧气进行竞争, 加速该环境下的二价铁的氧化, 而生成的三价铁, 在环境中以纳米晶体或胶体形式的氧化物矿物存在(Banfield 等 , 2000). 这些铁氧化物携带微弱正电(Sumner, 1963), 而 细 菌 表 面 经 常 携 带 负 电 荷(Konhauser, 1998), 因此这些铁氧化物纳米晶体或胶体往往附着于菌体之上, 对菌体的代谢造成阻碍(Hedrich 等, 2011). 一些嗜中性微好氧菌会产生特殊的胞外聚合物(Extracellular polymeric substance, EPS),如 Gallionella 产生的螺旋柄状物(Vatter 和 Wolfe,1956; Hallberg 和 Ferris, 2004; Chan 等 , 2011)或Leptothrix 产生的长杆鞘状物(Spring, 2006), 来吸附代谢所产生的铁氧化物矿物, 避免胞体被覆盖(Hallbeck 和 Pedersen, 1990)和隔离自由氧(Nealson,1982), 以保证细胞的正常代谢.
在产氧光合细菌繁盛之前(约 2.6 Ga; Battistuzzi等, 2004), 铁氧化细菌可能在全球生物圈中具有重要意义(Konhauser 等, 2011). 在大氧化事件之前(约2.45~2.22 Ga; Canfield, 2005; 赵振华, 2010), 太古代至早元古代的海洋处于低氧状态且富含大量可溶解的二价铁(Konhauser, 2009). 由于海洋中自由氧的缺乏, 二价铁的氧化主要是通过微生物的酶催化作用来完成的, 如不产氧光合细菌的光合作用(Ehrenreich和 Widdel, 1994; Konhauser 等, 2002)以及自养型硝酸根还原菌(Straub 等, 1996; Konhauser 等, 2011).
4Fe2++CO2+11H2O→[CH2O]+4Fe(OH)3+8H+(1)10Fe2++2NO3-+24H2O→10Fe(OH)3+N2+18H+(2)而伴随着蓝藻等产氧光合菌的出现和繁盛, 大气和海洋逐渐氧化. 海洋中 Fe(II)的氧化方式可分为两种.(ⅰ) 通过微生物的化能无机自养作用, 例如嗜中性微氧铁细菌. 该类微生物以 Fe(II)为电子供体,光合作用产生的分子氧为电子受体, 固定大气中的CO2, 进行化能自养过程, 生成三价铁:
6Fe2++0.5O2+CO2+16H2O→CH2O+6Fe(OH)3+12H+(3)(ⅱ) 通过产氧光合作用菌产生的氧气, 将 Fe2+氧化成三价铁:
2Fe2++0.5O2+5H2O→2Fe(OH)3+4H+(4)在自然环境中, 大部分的细菌都会分泌胞外聚合物对自身细胞进行保护, 使细胞表面具有粘附力,巩固生物席的形成, 同时吸附营养供细菌生长(Flemming 和 Wingender, 2010). 这些胞外聚合物连同其吸附的有机质和矿物沉积之后经历成岩和变质过程, 其形貌及化学特征将发生不同程度的改变(Konhauser 等, 2011; Posth 等, 2013). Pacton 等(2007)认为胞外聚合物可以吸附沉积物中的有机物, 使有机物得到一定程度的保护, 使其避免降解与重新矿化, 最终形成非晶质的含有机物化石. 越来越多的证据显示前寒武纪的条带状硅铁建造的形成与微生物的活动有关(Kappler 等, 2005; Konhauser 等, 2002;Trouwborst 等, 2007; Li 等, 2011). Holm(1987)观察到在热泉沉积物中存在大量的细菌的螺旋柄状物与非晶状态的铁的氢氧化合物的混合物, 又于 1989 年提出这些嗜中性微氧的铁细菌可以解释前寒武纪的条带硅铁建造的成因. Emerson 等(2010)指出太古至早元古代微氧富铁的海洋环境非常适合嗜中性微好氧铁细菌的生长. 但由于成岩作用或低级变质作用对初始沉积矿物的改造, 我们对前寒武硅铁建造中微生物参与的矿化作用知之甚少(Li 等, 2013; Bekker 等,2010). 本文结合扫描电镜和扫描透射电镜观察、X 射线衍射、选区电子衍射以及57Fe 穆斯堡尔谱等实验方法, 比较了嗜中性微好氧微生物席经过高温高压实验前后变化, 为前寒武纪的条带状硅铁建造中的铁代谢的起源和演化, 提供了实验参考.
1 实验和方法
1.1 样品采集、处理及电镜观察
新鲜生物席样品采集于香港特别行政区香港仔郊野公园的下水塘坝下. 水坝底部的水泥平台两侧有富含 Fe(II)的水渗出, 由于微生物对铁的氧化作用,在渗出口附近地面上形成了红褐色的絮状生物席.
采集了 100 mL 出水口附近的生物席样品, 并分为两份, 分别保存在 50 mL 无菌离心管中. 其中一份经静置后, 倾去上层清液, 加入约 35 mL 2.5%戊二醛的0.1 mol L-1磷酸一氢钾缓冲液, 室温固定 2.5 h, 另一份直接冻干, 室温保存备用. 根据 Fratesi 等(2004),固定后的样品分别置于35%, 50%, 70%以及95%的乙醇溶液中各 10 min, 然后置于 100%无水乙醇中 6 次,每次10 min进行脱水. 作扫描电镜观察时, 取一滴处理后的样品悬浊液, 滴在硅板上, 吹氮处理后作喷金处理. 样品用 Hitachi S4800 场发射扫描电镜、配备有能量散射 X射线光谱分析(EDS)观察和分析化学组成.
图像观察电压为 3~5 kV, EDS 分析在 20 kV 下进行.
作透射电镜观察时, 将样品加入无水乙醇研磨, 取适量悬浊液于铜网上, 随后进行观察. 扫描透射电镜型号为 FEI Tecnai G2 20 S-TWIN 并配备有选区电子衍射和 EDS.
1.2 57Fe 穆斯堡尔谱
将冻干后的样品置于玛瑙研钵中, 加入适量无水乙醇, 研磨至 200 目. 将研磨好的样品置于一个 1cm2丙烯酸样品池内, 装填适当厚度的样品(~5 mgFe/cm2). 放射源为 25 mCi57Co/Pb. 谱中心用厚度为25 μm α-Fe 的室温谱校准. 在室温下用透射几何法采集样品的穆斯堡尔谱, 数据采集时间为 8 h. 拟谱采用 WinNormos 程序, Lorentz 线型, 最小二乘法拟谱.
1.3 高温高压实验
成岩或低级变质作用的高温-高压模拟实验在中国科学院广州地球化学研究所完成. 取 10~15 mg 样品在氮气保护下焊封于 6 号金管中, 然后置于 316 不锈钢的高压釜中. 据报道, 迄今生物物质保存最好的条带状硅铁建造所经历的变质温度约为 150℃(Li 等,2011; Gole, 1980; Kaufman 等, 1990), 而大部分的磷脂类生物标记物在温度高于 300℃开始降解(Brocks等, 2003; Peters 和 Moldowan, 1993), 因此本实验的反应温度分别为 150 和 300℃, 压强均为 100 MPa.
高压釜内的温度由 JMWK-800 精密温度测量控制仪控制, 压强由压力计控制, 且温度压力均在数分钟内达到指定状态并保持稳定. 每次实验的反应时间为两周, 然后淬火至室温. 为了确保在实验的过程中样品没有泄漏或丢失, 金管在实验前后称重. 反应后的样品分别进行扫描电镜和透射电镜观察.
2 实验结果
2.1 穆斯堡尔谱
原始样品的穆斯堡尔谱分析结果(图 1)为一个三价铁的顺磁双峰结构, 其超精细参数为(δ=(0.38±0.01)mm s-1; D=(0.72±0.01) mm s-1), 与以往文献报道的水铁矿一致(Murad 和 Johnson, 1987), 表明胞外聚合物上沉淀的铁氧化物为水铁矿. 由于高温高压实验所用样品量极少, 不足以做穆斯堡尔谱分析, 这部分样品以电镜观察为主.【图.略】
2.2 原始样品的电镜观察
在扫描电镜下, 可以观察到直径约 1 μm, 长度为 40~50 μm 的长杆鞘状物, 以及大量存在的螺旋柄状物(图 2(a)). 高放大倍率图像显示, 这些螺旋柄状物的螺旋化程度也不尽相同, 大致可分为两种, 紧密螺旋和疏松螺旋(图 2(b)箭头所指), 其上均附着有亚微米级的铁氧化物颗粒. 除此之外, 我们还观察到一些由螺旋柄状物以及其他胞外聚合物聚集形成的网状结构(图 2(c)). 还观察到一些铁氧化物球状聚集体(图 2(d)), 其颗粒直径约为 30~300 nm(图 2(e)). 该微生物席中, 有疑似针杆藻属(Synedra)的硅藻与之共生(图 2(f)).【图略】
透射电镜观测表明螺旋柄状物上附着铁氧化物小球(图 3(a)), 高分辨电镜观察所示, 这些小球是由更小的非晶质铁氧化物颗粒聚集而成, 其颗粒大小约3~5 nm(图3(b)). 镜下还可以观察到直径约为1 μm的长杆鞘状物, 其上也附着有铁氧化物颗粒(图 3(c)).
高倍率放大图像显示, 其上的铁氧化物小球与螺旋柄状物上的类似, 均是由直径为 3~5 nm 非晶质的铁氧化物颗粒组成(图 3(d)). 我们也观察到了一些形状大小与细胞类似的杆状聚集体, 其长度可达到 0.5~2μm, 容易造成细菌化石假象(图 3(e)). 进一步放大显示, 这种杆状聚集体是由直径为 200 nm 左右的小球紧密连接而成(图 3(f)). 选区电子衍射分析显示, 螺旋柄状物表面附着的铁氧化物(图 4(a)), 长杆鞘状物表面矿物(图 4(b))以及球型聚集体表面(图 4(c))的矿物的选区电子衍射结果均为多个弥散的环, 显示其非晶质的特征.【图.略】
2.3 150℃/100 MPa 实验结果的扫描电镜观察
在经过 100 MPa 和 150℃反应后的样品中, 可以看到颗粒大小为 100~300 nm, 聚集成簇的球状聚集体(图 5(a)), 螺旋柄状物的残余(图 5(b)箭头所指), 长度为 200 nm~4 μm, 宽度为 50 nm~1 μm 的铁氧化物聚合物(图 5(c)), 以及与该微生物席共生硅藻的残余(图 5(d)).【图.略】
2.4 300℃/100 MPa 实验结果的电镜观察
在经过 100 MPa 和 300℃反应后的样品中, 仍可观察到大量的球状聚集体(图 6(a)), 其颗粒大小为200~500 nm, 但仔细观察其表面, 可以发现有大量板状矿物生成(图 6(b)), 大小约为 50~70 nm. 此外, 还观察到螺旋柄状物残余(图 6(c)), 短杆状的铁氧化物颗粒的聚集体(图 6(d))以及长杆鞘状物的残余, 其长度约为 3 μm, 直径到约 1 μm, 其上覆盖着铁氧化物小颗粒(图 6(e)). 在样品中, 还观察到了疑似硅藻的孔纹结构, 可能为某直链硅藻的残余(图 6(f)). 进一步的扫描透射电镜结果显示, 样品中存在直径约为150~450 nm 球状物形成的簇状聚集体(图 7(a)). 高分辨率图像显示, 其上存在大量的长度为 50~70 nm,厚度为5 nm左右的板状晶体(图7(b)). 选区电子衍射结果(图 7(c))显示, 在弥散的多个衍射环中, 有若干衍射斑点, 其衍射面指数分别为(110), (024)和(300),该组衍射指数与赤铁矿(PDF#860550) 一致 , 结合EDS 结果该矿物主要由 Fe 和 O 组成, 推断新生成的矿物为赤铁矿.【图.略】
3 讨论
铁氧化细菌的代谢可以产生不同的铁氧化物(Konhauser, 1998), 其中最常见的就是非晶质的水铁矿(Fe5HO8?4 H2O)(Konhauser, 1998; Straub 等, 1998).
水铁矿在自然条件下, 经过数月甚至数年的时间, 通过溶解再沉淀或脱水的过程, 可以分别形成结晶度更高的针铁矿(goethite)或赤铁矿(hematite)(Konha-user, 1998; Schwertmann 和 Cornell, 2000). 而水铁矿变成赤铁矿的前提是形成水铁矿的聚集体(Schwert-mann 和 Cornell, 2000), Feitknecht 等(1962)提出水铁矿向赤铁矿转化的过程需要通过聚集体间的脱水来实现, 而 Schwertmann 等(1999)的研究也证实了, 聚集体的形成推动了水铁矿向赤铁矿转化的过程. 这为在本实验中的球状物聚集体在高温高压作用后,尤其是 300℃和 100 MPa 反应后形成新矿物, 提供了解释. 根据 Schwertmann 等(1999)报道, 水铁矿在无水的情况下, 在加热到 227℃后仍比较稳定. 这与本文实验结果相似, 即在无水的条件下, 150℃时, 并未发现明显的新矿物的形成迹象, 到达 300℃时, 才生成了新矿物.
尽管铁元素在地壳中的含量十分丰富, 且其氧化还原状态变化具有重要的生物地球化学意义(Nealson 和 Myers, 1990; Webber 等, 2006; Taylor 和Konhauser, 2011), 却鲜有生物标记物可以用来指示相关铁代谢细菌的存在(Chan 等, 2011), 这给寻找前寒武条带状硅铁建造中生物地球化学循环的证据带来了困难. Kappler 等(2004)曾报道, 铁还原菌以及厌氧铁氧化菌既不会产生具有标志性形貌的含铁矿物,也没有相应的生物标记物或同位素特征. 因此, 作为有特殊胞外结构的嗜中性铁氧化菌(Hofmann 等,2008), 最有可能形成生态生理学的矿物学记录 .
Chan 等(2011)阐述了螺旋柄状物的形成与细菌生长之间的关系, 并认为这些胞外聚合物可以成为铁代谢的生物标记物. 但是这些胞外聚合物是否能在漫长的地质过程中被保留下来, 仍需要作近一步的探究. 在本实验中, 嗜中性微好氧铁氧化细菌产生的特殊胞外聚合物结构, 如Gallionella产生的螺旋柄状物以及 Leptothrix 产生的长杆鞘状物, 在高温高压反应后部分得以保存, 而另一些具不定形态的胞外聚合物, 如网状结构(图 2(c)), 在经高温高压处理后, 其形貌却没能得以保存. 以上结果表明这些特殊的胞外聚合物结构是有可能在经历成岩或低级变质作用后, 作为沉积岩中铁氧化菌的生物标志被保存下来的. 这也为在 19 亿年前的 Gunflint 条带状硅铁建造中所发现的类似生物结构(Cloud, 1965; Planavsky 等,2009)提供了一定程度的支持.
对于原始样品中发现的铁氧化物杆状聚集体,其形貌与大小恰好与一些前人报道的微生物化石类似(比如, Westall 等, 2001; Westall 和 Folk, 2003). 仔细观察可以发现, 这些杆状的聚集体实际是由若干铁氧化物球状聚集体连接而成. 依据电镜观察以及相应的 EDS 结果, 我们发现这些球状物聚集体, 尽管在形貌上与螺旋柄状物和长杆鞘状物存在很大差异, 但是其组成成分以及相应的铁-氧原子比是相似的. 因此, 我们推测这些球状物聚集体可能也是由EPS 诱导和吸附形成的铁沉积. 在高温高压反应后,这些球状聚集体由于高压作用彼此之间连接更加紧密, 但个体形貌仍与在原始样品中观察到的相类似,表明此类结构有可能在经历成岩或低级变质作用后被保存下来, 而由于其形貌大小与微生物细胞类似,容易造成沉积岩中微生物细胞化石的假象.
4 结论
通过高温高压实验模拟微生物席可能经历的成岩或低级变质作用, 观察到了可作为铁氧化细菌的生物标志物的保存和变化. Gallionella 的螺旋柄状物和 Leptothrix 的长杆鞘状物在经历成岩或低级变质作用后仍可能被保存下来. 嗜中性 pH 和微氧条件的微生物代谢所产生的初始铁氧化物—水铁矿在高温高压反应后转变成赤铁矿纳米晶体. 而在实验中观察到的一些球状铁氧化物聚合体也可以在高温高压反应后保存下来, 而由其连接形成杆状聚集体, 形貌类似于前人报道的微生物化石, 如能在成岩或低级变质作用过程中保存下来, 则易造成微生物化石假象.
