生物礦化是指通過(guò)生物或生物質(zhì)形成礦物的過(guò)程，是連接地球上有機圈層與無(wú)機圈層的重要紐帶，對理解地質(zhì)過(guò)程與生命活動(dòng)相互作用和利用生物化石記錄研究地球與生命之間的協(xié)同演化等有重要意義。趨磁細菌能在細胞內形成有生物膜包被、晶型尺寸獨特可控的磁鐵礦晶體，是生物控制礦化研究的典范。而鐵還原和鐵氧化細菌則通常在細胞外形成類(lèi)型多樣、形貌尺寸多變的含鐵礦物，屬于生物誘導型礦化。傳統觀(guān)點(diǎn)認為，微生物胞外誘導礦化受外界環(huán)境影響大，其礦化產(chǎn)物也很難與非生物成因礦物區分，因而限制了其在地質(zhì)記錄和生物仿生礦化中的拓展應用。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李金華研究員與潘永信院士生物地磁學(xué)團隊聯(lián)合中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所、加拿大國家同步輻射中心、法國巴黎第六大學(xué)和德國圖賓根大學(xué)的科研人員，利用先進(jìn)的電子顯微鏡技術(shù)和基于同步輻射的掃描透射X射線(xiàn)顯微鏡（STXM）方法，系統研究了異化鐵還原菌Shewanella oneidensis MR-4的胞外誘導礦化過(guò)程及其產(chǎn)物特性。他們發(fā)現：1）以水合氧化鐵為底物，可以通過(guò)微調培養體系誘導礦化生成超順磁磁鐵礦晶體，以及具有特殊組裝構型的菱鐵礦和藍鐵礦微晶；2）細胞物質(zhì)（可能是脂類(lèi)等有機質(zhì)）參與了菱鐵礦和藍鐵礦微晶體的成核和組裝，并被封存或保留在這些礦物微晶體內。
一、異化型鐵還原細菌
異化鐵還原菌是一種可以耦合C元素和Fe元素的微生物，它可以通過(guò)氧化有機質(zhì)或者H2還原Fe3+，從而在胞外礦化形成一系列含Fe2+礦物。異化鐵還原菌能夠還原結晶程度較低的Fe3+礦物，如水合氧化鐵、纖鐵礦等，其還原程度較高；也可以利用結晶程度較高的Fe3+礦物，如針鐵礦、赤鐵礦等，但多局限于納米級的顆粒，且還原程度較低，多集中于礦物顆粒表層。異化鐵還原菌可以利用上述礦物作為Fe3+底物在胞外誘導礦化生成磁鐵礦、菱鐵礦和藍鐵礦等礦物。不同于趨磁細菌礦化形成的單疇磁鐵礦顆粒，異化鐵還原菌礦化形成的磁鐵礦多為超順磁顆粒，只有某些菌株在高溫或長(cháng)時(shí)間的培養過(guò)程中會(huì )礦化形成大粒徑的磁鐵礦。前人對異化鐵還原菌礦化形成的磁鐵礦開(kāi)展了大量研究，然而對其礦化生成的菱鐵礦和藍鐵礦產(chǎn)物研究較少。
二、菱鐵礦和藍鐵礦的形成過(guò)程、形貌演化及其對應的顯微結構
通過(guò)檢測異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導菱鐵礦和藍鐵礦生成過(guò)程中的微生物-化學(xué)參數（圖1左），他們發(fā)現無(wú)論在低P或高P（磷元素）培養基中，隨著(zhù)S. oneidensis MR-4細胞的生長(cháng)，培養體系中的蛋白濃度在~20天達到最高值。相對應地，培養體系的上清液中Fe(II)濃度也在相同的時(shí)間點(diǎn)達到最高值。而由于水合氧化鐵的還原和磁鐵礦、菱鐵礦或藍鐵礦的形成，沉淀中的Fe2+濃度逐漸增加，而上清液中Fe2+濃度逐漸降低。相比于對照組，整個(gè)培養過(guò)程中反應體系的pH沒(méi)有明顯變化。這說(shuō)明低P或高P（磷元素）培養基對S. oneidensis MR-4誘導菱鐵礦和藍鐵礦生成過(guò)程中的微生物-化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有明顯影響。
然而，由于異化鐵還原菌是通過(guò)胞外誘導方式礦化形成礦物，其培養環(huán)境對其最終礦化產(chǎn)物有著(zhù)重要影響。在低P（磷元素）培養基中，異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4還原水合氧化鐵生成的Fe(II)主要與NaHCO3緩沖液中的CO32-結合形成菱鐵礦，其晶體有著(zhù)獨特的形貌演化順序：紡錘狀-棒狀-花生狀-啞鈴狀-球狀（圖1中）。而在高P培養基中，異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4還原水合氧化鐵生成的Fe(II)主要與PO43-結合形成藍鐵礦，其形貌主要為纖維狀或者葉片狀。高分辨掃描電子顯微鏡觀(guān)察發(fā)現菱鐵礦和藍鐵礦顆粒分別是由許多單晶菱鐵礦板和藍鐵礦板組成（圖1右），這些單晶板從礦物的中心呈扇形散開(kāi)，鐵還原菌通過(guò)類(lèi)似“搭積木”的過(guò)程對單晶板進(jìn)行組裝。
圖1 異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導菱鐵礦和藍鐵礦生成過(guò)程中的微生物-化學(xué)-礦物檢測（左）、電鏡觀(guān)察（中）和精細結構（右）分析結果
三、菱鐵礦的粒徑分布、原位化學(xué)和自動(dòng)晶體取向映射特征
通過(guò)對異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導生成的菱鐵礦進(jìn)行粒徑統計分析發(fā)現：雖然紡錘狀、棒狀和花生狀菱鐵礦的形貌不同，但其長(cháng)/寬比是一致的（2-3），而啞鈴狀和球狀菱鐵礦的長(cháng)/寬比分別為2-1和~1，這說(shuō)明當菱鐵礦的形狀從花生狀轉變?yōu)閱♀彔詈螅鋵挾鹊脑鲩L(cháng)速率更快（圖2左上）。STXM分析發(fā)現，菱鐵礦顆粒中還含有Fe3+和有機分子（圖2左下）。透射電鏡自動(dòng)晶體取向分析（ACOM）結果也發(fā)現菱鐵礦中心結晶程度較差，與周?chē)史派錉钌L(cháng)的部分不同（圖2右）。這表明菱鐵礦晶體最初可能以Fe3+（水合氧化鐵）和有機分子作為成核位點(diǎn)，后續通過(guò)單晶菱鐵礦板的組裝后呈放射狀生長(cháng)。并且這些有機分子不僅有助于單晶菱鐵礦板的組裝和菱鐵礦的多步驟生長(cháng)過(guò)程，反之，菱鐵礦也是有機分子的“墳墓”，有利于有機分子的保存。
圖2 異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4礦化產(chǎn)物菱鐵礦粒徑分布（左上）、原位化學(xué)（左下）和透射電鏡自動(dòng)晶體取向映射特征（右）
四、異化鐵還原菌誘導礦化模型
通過(guò)連續檢測異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4礦化過(guò)程中Fe濃度和礦化產(chǎn)物的變化，他們發(fā)現在前14天的培養過(guò)程中，上清液的Fe(II)濃度較低，磁鐵礦是S. oneidensis MR-4唯一的礦化產(chǎn)物。而培養到~20天時(shí)，上清液的Fe(II)濃度達到峰值，S. oneidensis MR-4誘導菱鐵礦或藍鐵礦生成。這說(shuō)明上清液中的Fe(II)濃度在異化鐵還原菌誘導礦物生成過(guò)程中起著(zhù)主要作用。結合電子顯微鏡和STXM結果，提出了S. oneidensis MR-4誘導礦化磁鐵礦、菱鐵礦或藍鐵礦的模型（圖3）：在實(shí)驗初期，細菌生成的Fe(II)含量較低，Fe(II)立即與水合氧化鐵反應生成磁鐵礦；隨著(zhù)細胞的生長(cháng)，其生成Fe(II)含量增加，Fe(II)與溶液中的CO32-或PO43-結合，并以水合氧化鐵和有機分子作為成核位點(diǎn)形成菱鐵礦或藍鐵礦。后續菱鐵礦進(jìn)一步的粒徑生長(cháng)伴隨著(zhù)形貌學(xué)的變化：紡錘狀-棒狀-花生狀-啞鈴狀-球狀，而藍鐵礦主要為纖維狀或者葉片狀。
圖3 異化鐵還原菌S. oneidensis MR-4誘導磁鐵礦、菱鐵礦或藍鐵礦的礦化過(guò)程
該研究不僅觀(guān)察到異化鐵還原菌誘導菱鐵礦和藍鐵礦礦化是一個(gè)類(lèi)似于“搭積木”的過(guò)程，菱鐵礦和藍鐵礦作為有機分子的“墳墓”有利于有機質(zhì)的保存，也證實(shí)了其獨特的形貌結構和內部有機分子的存在可能是地質(zhì)記錄中生物成因菱鐵礦和藍鐵礦識別的形貌學(xué)和地球化學(xué)證據，同時(shí)也為利用鐵細菌的生物礦化作用開(kāi)展環(huán)境修復和生物仿生等納米地球科學(xué)應用提供指導。
研究成果發(fā)表于EST并被選為封面文章（韓曉華#，王芙仙#，鄭世玲，邱浩，劉延，王建，Nicolas Menguy，Eric Leroy，Julie Bourgon，Andreas Kappler，劉芳華，潘永信，李金華*. Morphological, Microstructural, and In Situ Chemical Characteristics of Siderite Produced by Iron-Reducing Bacteria [J]. Environmental Science & Technology, 2024,?58(25):?11016-11026.?DOI:?10.1021/acs.est.3c10988.）
