Acidimicrobium sp. A6驱动的矿物转化提高结晶态铁氧化物生物可利用性以促进与Geobacter sulfurreducens共培养体系中的铁还原

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Mineral transformations driven by Acidimicrobium sp. A6 increase the bioavailability of crystalline Fe oxides in co-cultures with Geobacter sulfurreducens

　　

铁氧化物(Fe oxides)的生物可利用性(bioavailability)是控制自然及工程系统中微生物氧化还原过程的关键因素。Acidimicrobium sp. A6（A6）是一种自养型铁氨氧化(Feammox)细菌，可在厌氧条件下氧化铵耦合Fe(III)还原，因其在全氟和多氟烷基物质(PFAS)生物修复中的潜在价值受到关注；然而其在环境相关条件下调控Fe矿物转化及与其他铁还原细菌互作的机制尚不清楚。研究人员以不同pH和营养条件培养A6、Geobacter sulfurreducens（G. sulfurreducens）及二者共培养体系，并以水合铁华(ferrihydrite, (Fe3+)2O3·0.5H2O)或针铁矿(goethite, α-FeOOH)为电子受体开展研究。结果表明：酸性寡营养条件下A6的铁氨氧化活性得以维持而G. sulfurreducens受抑制，证实可通过环境调控选择性激活A6；近中性富营养条件下A6与G. sulfurreducens可共存（尤见于针铁矿处理组）。Fe K边X射线吸收光谱(XAS)显示A6促使结晶态针铁矿转化为低结晶度针铁矿并伴有含Fe(II)相生成，表明Fe(III)可及性增强；相应地在针铁矿处理的共培养体系中观察到持续的铁氨氧化及乙酸氧化被促进，凸显A6在提升异养Fe(III)还原菌可利用Fe(III)方面的作用。综上，A6既是高效的铁氨氧化执行者，也是结晶态Fe氧化物的生物调节因子，支持其在富Fe(III)环境中的原位应用潜力。

论文解读：Acidimicrobium sp. A6驱动结晶态铁氧化物转化提升其生物可利用性及与Geobacter sulfurreducens共培养体系的铁还原活性

本研究发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》。自然界中结晶态Fe(III)氧化物如针铁矿（goethite, α-FeOOH）和赤铁矿（hematite, α-Fe₂O₃）热力学稳定且广泛存在于土壤沉积物中，但因溶解度低、还原溶解动力学慢而导致微生物生物可利用性（bioavailability）差；而非晶态水合铁华（ferrihydrite, (Fe³⁺)₂O₃·0.5H₂O）虽反应活性高却地质不稳定难以用于野外。Acidimicrobium sp. A6（下称A6）是可进行铁氨氧化（Feammox，厌氧铵氧化耦合Fe(III)还原）的自养菌，以往研究多在酸性、水合铁华条件下进行，A6对结晶态Fe氧化物的利用能力及其与常见异化铁还原菌（dissimilatory iron-reducing bacteria, DIRB）如Geobacter sulfurreducens（下称G. sulfurreducens）间的互作尚不明确。为此研究人员设置A6纯培养、G. sulfurreducens纯培养及二者共培养，分别以ferrihydrite或goethite为唯一电子受体，在近中性富营养Geobacter培养基（GeMed）及酸性寡营养A6培养基（A6Med）、pH 4.5与6.5下开展批次厌氧培养，结合Fe K边X射线吸收近边结构（XANES）谱学线性组合拟合（LCF）、X射线衍射（XRD）、环境扫描电镜（ESEM）及qPCR定量16S rRNA基因拷贝数，探究A6介导的Fe矿物转化、Feammox活性及其对共培养中G. sulfurreducens乙酸氧化的影响。研究发现酸性条件可选择性抑制G. sulfurreducens而维持A6活性；近中性条件下A6能部分还原并改造结晶态goethite生成低结晶度goethite及含Fe(II)次生相，从而提高Fe(III)可及性，促进共培养中G. sulfurreducens的异化铁还原，证明A6兼具Feammox功能与生物调制结晶态Fe氧化物生物可利用性的双重作用，为富Fe(III)环境（如PFAS污染场地）中基于A6的原位生物修复提供理论依据。

主要关键技术方法：

研究人员合成双线水合铁华（two-line ferrihydrite）并按Nakamura等方法合成低结晶度针铁矿（less crystalline goethite），商业针铁矿与赤铁矿作对照；采用A6纯菌株（Acidimicrobium sp. A6）及G. sulfurreducens PCA（ATCC 51573）纯培养，另用采自美国新泽西州Assunpink野生动物管理区沉积物驯化的A6富集培养物（A6-mix，含多样微生物群落但不含G. sulfurreducens）；设置不同pH（4.5、6.5）与培养基（A6Med寡营养、GeMed富营养）下的纯培养与共培养（初始接种量A6约10⁴、G. sulfurreducens约10⁶16S rRNA基因拷贝数/mL），以ferrihydrite或goethite（5 mM或10 mM Fe）为唯一电子受体，添加25 μM AQDS（anthraquinone-2,6-disulfonate）助胞外电子传递，厌氧N₂/CO₂（80:20）气氛下25℃避光振荡培养；定期检测NH₄⁺、乙酸、HCl可提取Fe(II)、pH及氧化还原电位（Eh）；培养结束收集固相做XRD、Fe K-edge XANES–LCF（参比矿物：ferrihydrite、crystalline goethite、less crystalline goethite、lepidocrocite γ-FeO(OH)、magnetite Fe₃O₄、siderite FeCO₃）、ESEM观察形貌；微生物定量用DNeasy PowerSoil Pro Kit提取基因组DNA，qPCR分别用A6特异性引物acm_v1F/acm_v1R和G. sulfurreducens引物561F/825R扩增16S rRNA基因并做标准曲线；统计学用配对t检验或重复测量ANOVA及独立样本t检验（p < 0.05显著）。

3.1. A6-driven Feammox activity with different Fe oxides under A6-favored conditions（A6偏好条件下A6对不同Fe氧化物的铁氨氧化活性）

A6在pH 4.5 A6Med中以ferrihydrite、hematite或goethite（5 mM Fe）为电子受体孵育68天，各处理NH₄⁺去除量无显著差异（p > 0.05），16S rRNA基因拷贝数增幅相当，表明A6可利用不同结晶度Fe(III)氧化物驱动Feammox。水相Fe(II)积累微弱，但3 M HCl可提取Fe下降，且goethite处理组孵育68天后Fe K-edge XANES–LCF显示crystalline goethite比例降低、出现less crystalline goethite及siderite（含Fe(II)相），证明A6对结晶态goethite有部分还原及矿物结构改造作用。

3.2. G. sulfurreducens activity with different Fe oxides under Geobacter-favored conditions（Geobacter偏好条件下G. sulfurreducens对不同Fe氧化物的活性）

G. sulfurreducens在pH ~6.8 GeMed中以ferrihydrite或goethite（5 mM Fe）加10 mM乙酸盐孵育21天。Ferrihydrite处理组乙酸持续消耗、16S rRNA基因拷贝数增长高于goethite处理组；goethite处理组乙酸消耗延迟且较弱，证实crystalline goethite对G. sulfurreducens生物可利用性显著低于ferrihydrite。

3.3. pH and medium composition shape A6-Geobacter interactions in pure and co-cultures（pH与培养基组成调控A6与Geobacter纯培养及共培养的互作）

在pH 4.5下G. sulfurreducens乙酸氧化受抑（乙酸浓度不变），A6仍具NH₄⁺去除能力；pH 6.5下二者均活跃。A6Med（寡营养）限制G. sulfurreducens生长但不影响A6 Feammox；GeMed（富营养）在pH 6.5支持两菌共存，共培养中NH₄⁺降幅大于A6纯培养（含G. sulfurreducens同化贡献）。表明酸性寡营养条件可选择性刺激A6并抑制竞争DIRB。

3.4. Fe oxide type modulates bioavailability and microbial redox activity under co-culture favorable conditions（共培养偏好条件下Fe氧化物类型调控生物可利用性与微生物氧化还原活性）

pH 6.5 GeMed中共培养加ferrihydrite时乙酸氧化与G. sulfurreducens纯培养相当，NH₄⁺去除更显著，Fe(II)略高；共培养加goethite时乙酸消耗高于G. sulfurreducens纯培养，NH₄⁺去除也更强，且Fe(II)极低（被再氧化或次生沉淀掩蔽），表明A6对goethite的局部还原/结构改造提高了其生物可利用性，促进G. sulfurreducens利用goethite进行异化铁还原。A6不抑制G. sulfurreducens活性。

3.5. A6 modulates Fe oxide bioavailability in a diverse microbial community under environmentally relevant conditions（环境相关条件下A6在多样微生物群落中调控Fe氧化物生物可利用性）

用A6富集培养物（A6-mix，无G. sulfurreducens）、G. sulfurreducens纯培养及二者共培养，在pH 6.5 GeMed中以20 mM Fe的ferrihydrite或goethite孵育26天。A6-mix两Fe氧化物处理NH₄⁺去除~20–23%，无HCl可提取Fe(II)积累（Fe(II)被Feammox副产物亚硝酸盐再氧化或进入晶格）。共培养goethite处理乙酸消耗高于G. sulfurreducens纯培养，校正G. sulfurreducens同化后的Feammox贡献goethite共培养高于A6-mix，表明低竞争性crystalline goethite为A6提供生态位。G. sulfurreducens 16S rRNA基因拷贝数在共培养中增约一个数量级，A6拷贝数未明显增长但足以维持Feammox活性。

3.6. Mineralogical transformations of Fe oxides in A6-enrichment co-cultures with G. sulfurreducens（A6富集共培养中Fe氧化物的矿物学转化）

Ferrihydrite处理A6-mix固相XRD仍为非晶，XANES–LCF检出siderite与magnetite证Fe(III)被还原；ferrihydrite处理G. sulfurreducens纯培养及共培养XRD/XANES检出lepidocrocite。Goethite处理A6-mix XRD无明显变化但XANES–LCF检出less crystalline goethite、ferrihydrite及siderite，ESEM见goethite棒状末端局部磨蚀变圆及不规则次生形貌，表明A6引发goethite表面缺陷/局部结构改变；goethite处理共培养固相出现lepidocrocite、siderite、magnetite且ESEM见更丰富次生矿物形貌，证实A6表面改性与G. sulfurreducens还原协同促进goethite转化。

讨论与结论（翻译结论部分）：

本研究表明Acidimicrobium sp. A6通过Feammox活性调控结晶态Fe氧化物的生物可利用性，即便在环境相关条件下亦如此。虽然酸性寡营养环境可抑制如G. sulfurreducens等竞争铁还原菌并选择性 favoring A6，但研究发现A6在近中性、添加有机碳的代表性野外条件环境中仍具代谢活性和功能意义。A6驱动的Feammox可部分还原并重构goethite，增进Fe(III)对A6及共存DIRB的可及性；这些矿物学变化支撑了铵与乙酸氧化的持续进行并延展了氧化还原循环，从而拓宽了Fe依赖微生物过程的生态位。鉴于结晶态goethite价廉易得、不易被微生物快速竞争消耗（尤于偏酸条件），其可作为有效的Fe源用于原位刺激A6驱动的Feammox。未来研究应评估波动氧化还原条件及更强微生物竞争下A6的稳健性以评估其野外规模潜力；此外虽多尺度分析强证矿物学改变，未来借助高分辨成像（如TEM）将助于解析A6引发的晶格尺度结构缺陷与结晶度变化。