电缆细菌与铁氧化细菌的生态互作关系及其驱动铁硫氧化耦合的机制

The observations of cable bacteria mediating long distance electron transport challenged the traditional understandings of coupled biogeochemical cycles. Recent studies indicated that the presence of cable bacteria distinctly influenced the biogeochemical cycles of sulfur and iron in the habitats, however, the microbial driving mechanisms were uncovered. Based on the known findings including the driving force of coupled biogeochemical cycles by microbial ecological interactions, the ecological niche of cable bacteria, the special electrogenic sulphur oxidation and that the nutrition type and substrate of iron-oxidizing microorganisms were distinctly different in the vertical distribution of sediments, this proposal hence hypothesizes that the ecological interactions between cable bacteria and iron-oxidizing microorganisms were vertically different in the sediments, which driving different coupled oxidation of sulfur and iron. The vertical differences of ecological interactions are going to be studied by constructing and verifying the microbial ecological networks, the driving mechanisms of cable bacteria and iron-oxidizing bacteria on the sulfur and iron cycles are going to be investigated by coupling metagenome analysis and geochemical analysis, anaplerosis experiments and qPCR were applied to examine our conclusions. The comprehensive analysis of the above results will uncover the ecological interactions between cable bacteria and iron-oxidizing bacteria and their driving mechanisms on the coupled sulfur and iron biogeochemical cycles. This study will provide systematical and impressive data for revealing the roles of cable bacteria in the microbial ecosystem and their influences on the biogeochemical cycles.

电缆细菌介导的长距离电子传递挑战了对沉积物中元素循环过程的传统认识。近年地球化学研究表明电缆细菌会显著影响生境内硫、铁元素循环及耦合，但其驱动机制尚不清楚。本项目基于微生物生态互作关系驱动元素循环耦合、电缆细菌的生态位、产电硫氧化反应的特点以及铁氧化细菌在沉积物垂直分布上的营养型及底物需求差异，提出 “电缆细菌与铁氧化菌的生态互作关系存在垂直分布差异，驱动了不同的硫、铁氧化耦合过程”的假设，计划通过构建微生物生态网络研究电缆细菌与铁氧化细菌生态互作关系的垂直分布差异，通过宏基因组学结合地球化学分析研究不同深度电缆细菌、铁氧化细菌驱动硫、铁氧化的分子机制，通过回补实验及定量PCR等传统手段验证我们的结论，从而揭示电缆细菌与铁氧化细菌之间的生态互作关系驱动硫、铁氧化过程耦合机制。本项目的研究结果将从全局角度系统理解电缆细菌影响生物地球化学循环过程的机制，具有重要的科学及生态意义。

电缆细菌介导的长距离电子传递挑战了对沉积物中元素循环过程的传统认识。近年地球化学研究表明电缆细菌会显著影响生境内硫、铁元素循环及耦合，但其驱动机制尚不清楚。本项目基于微生物生态互作关系驱动元素循环耦合、电缆细菌的生态位、产电硫氧化反应的特点以及铁氧化细菌在沉积物垂直分布上的营养型及底物需求差异，提出 “电缆细菌与铁氧化菌的生态互作关系存在垂直分布差异，驱动了不同的硫、铁氧化耦合过程”的假设。在项目执行过程中，我们开发了包括电缆细菌qPCR定量方法、原位成像、铁氧化菌强磁富集方法等一系列新方法用于检测电缆细菌及铁氧化菌；通过结合宏基因组及纯培养技术，我们获得了84株铁氧化菌的基因组；通过设计阻断电缆细菌向下生长的方式，我们研究了电缆细菌与铁氧化菌在沉积物各层的互作关系并发现，电缆细菌与铁氧化菌的丰度在各层均存在正/负相关性，铁氧化菌的种类是二者之间互作关系的最主要的决定因素。电缆细菌可能通过构建密布沉积物的微生物骨架网络的方式，基于它特殊的产电硫氧化及潜在的小分子酸耦合的长距离电子传递能力，对周围的铁氧化菌等其他微生物起到保护及促进群落稳定性的作用。同时这种微生物骨架网络在跨空间距离的铁硫循环耦合过程中，也发挥关键作用。我们研究初步回答了电缆细菌与铁氧化菌之间复杂的互作关系及其驱动的铁硫循环耦合机制。此外，微生物骨架网络的假说从跨空间距离的尺度上提出了一种电缆细菌这类长线状的电活性微生物如何驱动元素循环耦合过程的可能机制，具有一定的创造性。