粘土矿物通过吸附病毒对元素循环的影响研究

Viruses are the most abundant biomass on earth, serve as a driver of global biogeochemical cycles. As much as one-quarter of the organic carbon in the sea flows through the viral shunt. Clays and clay minerals are ubiquitous in soils, sediments, and sedimentary rocks, and can be transported the marine environment from the continents by atmospheric, hydrospheric or glacial mode. Adsorption of viruses on clay minerals play critical role on virus fate, and are probably influence viral activity and behavior and accordingly take part in the global biogeochemical cycles. Here we analyze the effect on clay minerals adsorption of viruses and constructed experimental model to explore the effect on interactions among minerals, viruses and microbes.

微生物病毒是地球上数量最多的生命体，可通过裂解细胞加速营养物质由颗粒态向溶解态转化，因此病毒是元素生物地球化学循环的主要动力之一。粘土矿物由岩石风化而成，广泛地分布在土壤、沉积物以及水体中，可由大气、河流和冰川的作用，经过长距离搬运进入海洋并沉降形成海底沉积物。在环境中，粘土矿物与微生物存在广泛的相互作用，能够将病毒颗粒吸附到矿物表面，但是，粘土矿吸附病毒后，对病毒活性及其介导的元素循环影响还未曾研究。本项目拟针对这一科学问题，通过实验室模拟实验，建立矿物-病毒-细菌的相互作用模型，探究病毒裂解细胞的过程中，粘土矿物对病毒活力和有机物释放的影响。本工作对探究粘土矿物对病毒的吸附在生物地球化学循环中的作用具有重要意义。

病毒是地球上数量最多的生命体，广泛地分布在各种类型的生态系统中，活跃地参与着元素生物地球化学循环。黏土矿物由岩石风化而成，广泛地分布于土壤、沉积物及水体中，并经由大气、河流和冰川的作用搬运至海洋。在环境中，黏土矿物通过多种方式吸附蛋白质、核酸等生物大分子，与病毒和细胞微生物发生相互作用。黏土矿物的吸附作用对病毒介导的元素生物地球化学循环有何影响？我们建立了黏土—病毒—宿主的实验室模型，以Shewanella oneidensis MR-1及其噬菌体MSO-5以及黏土矿物SWy-3作为实验材料，通过测定病毒感染过程中可溶性有机碳（DOC）的浓度、病毒和宿主细胞的生物量并结合荧光显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察来探索上述影响。研究发现，在病毒感染并裂解细胞的过程中，黏土矿物对有机质的吸附延迟了DOC的释放。黏土矿物的吸附作用一方面产生了空间阻隔，减少了宿主被病毒侵染的机会，增强了宿主细胞的存活能力；另一方面，黏土矿物对生物大分子的结合提高了矿物表面的有机物浓度，促进了细胞对有机质的再利用。在自然环境中，上述过程将会影响环境中溶解性有机碳进入微食物环的再循环过程，这对海洋和土壤生态系统的碳循环过程有着不容忽视的影响。冰川融化为海洋输入的悬浮沉积物中也含有大量黏土颗粒，输入海洋的外源黏土矿物可能通过吸附病毒影响海洋中上层食物网的动 态平衡。随着全球气候变暖，北极地区受到强烈影响，陆地和海洋冰川加剧消融，将会进一步加强冰川融化产生的黏土颗粒对病毒的吸附作用，这可能会强烈影响全球海洋生态系统的食物网和元素循环过程。因此，本项目的研究结果有助于了解黏土矿物对病毒介导的生物地球化学循环过程的影响，并可为进一步预测全球生物地球化学循环和气候时空格局的变化提供重要参数；同时也为新冠疫情后，病毒在环境中的保存和转移的研究提供了一定的基础。