创建维诺格拉茨基柱:在沉积物样本中丰富微生物物种的方法

资料来源:伊丽莎白·苏^特1，克里斯托弗·科尔^博1，乔纳森·布莱^泽1
1大学生物科学系，瓦格纳学院，1 校园路，纽约州斯塔顿岛，10301

维诺格拉茨基柱是一个微型的封闭生态系统，用于丰富沉积物微生物群落，特别是那些参与硫循环的微生物群落。该柱在19世纪80年代首次由谢尔盖·维诺格拉茨基使用，此后应用于生物地球化学中涉及的多种微生物的研究，如光合体、硫氧化剂、硫酸还原剂、甲烷原、铁氧化剂、氮循环器，以及更多 （1，2）。

地球上的大多数微生物被认为是不可培养的，这意味着它们不能被隔离在试管或培养皿（3）。这是由于许多因素，包括微生物依赖于其他代谢产物。维诺格拉茨基柱中的条件与微生物的自然栖息地（包括它们与其他生物的相互作用）紧密地模仿，并允许它们在实验室中生长。因此，这项技术允许科学家研究这些生物体，并了解它们对地球生物地球化学循环的重要性，而不必孤立地生长。

地球的环境充满了微生物，它们生长在所有类型的栖息地，如土壤、海水、云层和深海沉积物。在所有栖息地，微生物相互依赖。随着微生物的生长，它消耗特定的基质，包括富含碳的燃料，如糖以及营养物质、维生素和氧气等呼吸气体。当这些重要的资源耗尽时，具有不同代谢需求的不同微生物就会开花并茁壮成长。例如，在维诺格拉茨基柱中，微生物首先消耗添加的有机物质，同时消耗柱底层中的氧气。一旦氧气被消耗，厌氧生物就可以接管并消耗不同的有机物质。随着时间推移，不同微生物群落的连续发展称为继承（4）。微生物继承在维诺格拉茨基柱中很重要，微生物活动会改变沉积物的化学成分，进而影响其他微生物的活性等等。土壤和沉积物中的许多微生物也沿着梯度生活，梯度是两种不同类型的生境之间的过渡区，基于基质的浓度（5）。在梯度的正确点上，微生物可以接收不同基质的最佳量。随着维诺格拉茨基柱的发展，它开始模仿这些自然梯度，特别是在氧气和硫化物中（图1）。

图 1:在维诺格拉茨基柱中发育的_氧（O2）和硫化物（H2S）梯度的表示。

在维诺格拉茨基柱中，池塘或湿地的泥浆和水混合在透明的柱子中，允许孵育，通常是在光线下。在柱中加入额外的基质，为社区提供碳源，通常以纤维素和硫的形式存在。光合器通常开始在沉积物的顶层生长。这些光合微生物主要由蓝藻组成，蓝藻产生氧气，呈绿色或红褐色层（图2，表1）。光合作用产生氧气，而氧气对水的可溶性并不高，而且低于此层（图1）。这将产生氧气梯度，从顶层的高浓度氧气到底层的零氧。含氧层称为有氧层，无氧层称为厌氧层。

在厌氧层中，许多不同的微生物群落可以增殖，这取决于可用的基质的类型和数量、初始微生物的来源和沉积物的孔隙度。在柱的底部，厌氧分解有机物的生物体可以茁壮成长。微生物发酵产生有机酸从纤维素的分解。然后，硫酸盐还原剂可以使用这些有机酸，利用硫酸盐氧化这些有机物，并生产硫化物作为副产品。如果沉积物变黑，硫酸盐还原剂的活性表示，因为铁和硫化物会反应形成黑色硫化铁矿物（图2，表1）。硫化物也会向上扩散，从而产生另一个梯度，其中硫化物浓度高在柱的底部，低在柱的顶部（图1）。

在柱的中间附近，硫氧化剂利用从上面供应的氧气和下面的硫化物。光合硫氧化剂在适当的光量下可以开发在这些层中。这些生物体被称为绿色和紫色硫细菌，通常显示为绿色、紫色或紫红色细丝和斑点（图2，表1）。绿色硫磺细菌对硫化物的耐受性较高，通常发展在紫硫细菌正下方的层中。紫硫细菌以上，紫无硫菌也可能发展。这些有机体使用有机酸作为电子捐赠者而不是硫化物进行光合，通常表现为红色、紫色、橙色或棕色层。非光合硫氧化剂可以发展在紫色非硫细菌之上，这些通常表现为白色细丝（图2，表1）。此外，在维诺格拉茨基列中也可能形成气泡。有氧层中的气泡表示蓝藻产生的氧气。厌氧层中的气泡很可能是由于甲烷原的活性，这种生物体有氧分解有机物，形成甲烷作为副产品。

表 1:可能出现在经典维诺格拉茨基柱中，从上到下的主要细菌群。给出了每组生物体的例子，并列出了每一层生物体的可视指标。根据佩里等人（2002年）和罗根等人（2005年）。