河口盐度梯度下纳米磁铁矿与微生物的互作机制

Biomineralization is one of three mineralizations. Soil microbe biosynthesize nano-magnetite, interact with them and assist the dissolution and precipitation of magnetite. By these ways, they could participate in the geochemical cycle of elements from the surface (such as iron, manganese, carbon, nitrogen, etc.). Ocean outfall of the fresh-river in gulf of the north Yellow Sea and the Bohai Sea lie in an ecotone of three ecological systems including sea water, land and river water. It is a special ecological system with the salt salinity gradient. There were no reports about the mechanism of interaction between microorganisms and nano-magnetite under the salt salinity gradient condition. The samples isolated from the natural environment are considered as the research subjects in this project. The electricigens which could use iron for their growth and the model electricigens will be compared. Morphological structures of nano-magnetite will be analyzed by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The effect of nano-magnetite on the electrochemical characteristics of microbes will be analyzed by C-V. Visible absorption spectra will be used for detecting C-type cytochromes. The intermediate metabolites produced by microbes in the electron transmission process would be detected by gas chromatography (GC) and high performance liquid chromatography (HPLC) to estimate electron transfer efficiency. The aim of this project is to reveal effect produced by salinity on the types of magnetite, the key structure of electricigens during the electrons transition, and the mechanism of interaction between microorganisms and nano-magnetite. This study will provide reliable theories for the geochemical cycle especially the iron cycle under different saline conditions.

生物成矿作用是三大成矿作用之一。土壤微生物能够合成磁铁矿并与其互作，参与其溶解与沉淀，还能影响地表元素的地球化学循环(Fe、Mn、C、N等)。 北黄海、渤海湾的淡水入海口处于海洋咸水、陆地、河流淡水三大生态系统的交错地带，是一个具有盐度梯度的生态环境。盐度梯度影响下纳米磁铁矿与土壤微生物的互作机制尚且未知。本项目拟以河口湿地为研究对象，分离产生磁铁矿的微生物，并与模式产电微生物进行比较。利用XRD以及TEM分析纳米磁铁矿的形态结构；通过C-V等方法分析纳米磁铁矿与微生物互作过程的电化学特性；用示差扫描分析微生物胞内C-型细胞色素；利用GC和HPLC分析代谢过程的中间产物，间接评估胞外电子传递效率。旨在揭示河口盐度梯度影响下天然纳米磁铁矿的构型，寻找电子传递过程中起重要作用的附属结构，阐明盐度梯度影响下纳米磁铁矿与产电微生物的互作机制。从而为海岸带盐度梯度影响下铁循环规律的研究提供理论依据。

北黄海、渤海湾的淡水入海口处于海洋咸水、陆地、河流淡水三大生态系统的交错地带，是一个具有盐度梯度的生态环境。本项目通过1、对环渤海河口区域及近海微生物多样性的分析及富集过程磁性材料的磁性特征分析，利用XRD以分析纳米磁铁矿；通过RDA以及Mantel分析环境因子（包括磁性特征）与河口沉积物中微生物多样性的关系，发现渤海周围沉积环境中细菌多样性与盐度密切相关，细菌群落组成与盐度、溶解氧（DO）、pH值和磁化率（χlf）显著相关。异化铁还原菌（DIRB）是沉积物中前20属的主要组成部分。三个DIRB属，特别是与磁铁矿形成有关的梭菌属（Clostridium）的相对丰度显示非随机分布，并且与采样点到中心点（120.3°E，38.3°N）的地理距离显著相关。磁化率与其他因素在渤海沉积物细菌分布中的重要作用。我们的研究结果也表明DIRB，如梭菌可能是沉积物中生物产生的磁性矿物的指示菌。2、研究环渤海河口盐度梯度下磁性特征与微生物胞外电子传递之间的关系，利用无定型铁富集不同盐度条件下河口沉积物微生物过程中，通过C-V以及求导等方法分析纳米磁铁矿与微生物互作过程的电化学特性，发现接种较高χlf值的富集培养物的反应器启动较早，峰电压、功率密度以及库伦效率较高。并通过高通量测序以及TRFLP揭示其中功能微生物,发现MFC性能的改进可能由于来自162bp的末端限制片段（TRFs）的高电活性的微生物群落，同时发现来自沙河不同样点电活性微生物采用不同的胞外电子传递方式。3、发现一株具有产电潜力的植物致病菌，通过差式扫描光谱以及血红素染色分析对该菌的细胞色素C合成基因进行了功能鉴定，发现dsb D编码细胞色素C合成基因，并且可能影响了胞外电子传递。4、通过比较转录组学比较了模式真菌中盐胁迫与铁代谢之间的联系，发现盐胁迫引起了细胞膜上与铁离子转运相关基因的上调。