주자성 박테리아(Magnetotactic bacterium, MTB)는 일종의 지구자기장(Geomagnetic field) 자력선(Magnetic line of force) 방향을 따라 움직이는 미생물로서 세포 유전자의 엄격한 조정제어에 의해 나노급(수십에서 수백 나노미터)인 사이즈가 균일하고 화학적 순도가 높으며, 체인형 배열(Arranged in chains) 구조를 가진 사산화삼철(Magnetite, Fe3O4) 혹은 그레자이트(Greigite, Fe3S4) 마그네토좀(Magnetosome)이 광물질화 합성(Mineralization synthesis)된다. 이 미생물은 바이오 지구자기학(Biological geomagnetism)과 바이오 광물질화학 연구의 모델이 되고 있다.

주자성 박테리아는 광범위하게 호수, 해양과 석호(Lagoon) 등 환경에 분포되어 있고 마그네토좀은 침적물에서 자기신호(Magnetic signal)의 이동수단인 캐리어일 뿐만 아니라 자연계에 존재하는 철, 유황, 탄소, 질소 등 원소의 지구화학순환에서 중요한 작용을 일으키고 있다.

이전의 연구에 의하면 담수 환경에서 발견한 주자성 박테리아는 기본적으로 모두 사산화삼철 마그네토좀을 합성하지만 그레자이트 마그네토좀을 합성하는 것은 거의 볼 수가 없다. 지금까지 이미 발견한 그레자이트 마그네토좀은 일부의 δ-프로테오박테리아(delta-Proteobacteria)강 주자성 박테리아가 합성한 것이지만 이 유형의 박테리아는 해양과 석호 등 함수 환경에서만 발견되었다.

중국과학원 지질과 지구물리연구소 고대지구자기와 연대학실험실 중국-프랑스 바이오 광화와 나노구조연합실험실 박사연구생인 Wang-yanzhao와 지도교수인 Pan-yongxin 연구원 등은 시안(Xi’an city, Shanxi province) 호자(Moat) 표층 침적물에서 종류가 다양한 주자성 박테리아를 발견하였고 이런 미생물은 주로 화학적 구배(Chemical gradients) 변화가 비교적 큰 물-침적물 계면(그림 1 참조)에서 생활하고 있다.

16S rRNA유전자에 기반한 시스템발육 분석에 의하면 이 지점의 주자성 박테리아 군집은 δ-프로테오박테리아강 박테리아가 위주(50%이상)이고 비교적 높은 다양성을 가지고 있다.

투과전자현미경 관찰(Transmission electron microscope observation)과 EDS 분석(Energy Dispersive Spectrometer analysis, EDS analysis)을 통해 사산화삼철 마그네토좀만을 합성하는 주자성 박테리아, 그레자이트 마그네토좀만을 합성하는 주자성 박테리아 및 탄환형(Bullet-shaped) 사산화 삼철 마그네토좀과 불규칙적인 그레자이트 마그네토좀을 동시에 합성하는 막대기모양 주자성 박테리아를 발견하였다.

제자리형광잡종화 분석(Fluorescence in situ hybridization analysis)에 의하면 사산화삼철과 그레자이트 마그네토좀을 동시에 합성하는 막대기모양 주자성 박테리아는 δ-프로테오박테리아강의 황산환원균(Sulfate-reducing bacteria)에 속한다(그림 2 참조)는 것으로 나타났다.

이 연구는 δ-프로테오박테리아강 그레자이트를 생성하는 주자성 박테리아는 유황이 풍부한 담수환경에 분포되어 있다는 것을 처음으로 발견하였고 유황과 철 등 원소의 순환에 참여할 가능성이 있어 일정한 환경적인 의미가 있다. 그레자이트를 생성하는 주자성 박테리아의 발견은 침적물에서 그레자이트의 내원(source)을 판단하는데 근거를 제공하였다.

이 연구성과는 최근에 국제 미생물학 저널 Applied and Environmental Microbiology에 발표(Wang et al. High diversity of the magnetotactic Deltaproteobacteria in a freshwater niche. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(8): 2813-2817)되었다.

 

[원문보기]

 

地质地球所发现淡水环境中合成胶黄铁矿磁小体的趋磁细菌

 

 

趋磁细菌是一类能够沿着地磁场磁力线方向运动的微生物，在细胞基因严格调控下矿化合成纳米级（几十到上百纳米）、尺寸均一、化学纯度高、链状排列的磁铁矿（Fe₃O₄）或胶黄铁矿（Fe₃S₄）磁小体，是生物地磁学与生物矿化研究的模式微生物。趋磁细菌广泛分布在湖泊、海洋和泻湖等环境中，磁小体不仅是沉积物中磁信号的载体，而且在自然界的铁、硫、碳、氮等元素地球化学循环中起着重要作用。前人的工作表明，淡水环境中发现的趋磁细菌基本上都是合成磁铁矿磁小体，极少见合成胶黄铁矿磁小体。目前已发现的胶黄铁矿磁小体仅由一些δ-变形菌纲趋磁细菌合成，但这类细菌仅发现在海洋和泄湖等咸水环境。

中科院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室、中-法生物矿化与纳米结构联合实验室博士研究生王寅炤和导师潘永信研究员等，在西安护城河表层沉积物中发现种类多样的趋磁细菌，这些微生物主要生活在化学梯度变化较大的水-沉积物界面（图1）。

 

基于16S rRNA基因的系统发育分析显示，该地点的趋磁细菌群落以δ-变形菌纲细菌为主（>50%），具有较高的多样性。通过透射电子显微镜观测和能谱分析，发现了大量仅合成磁铁矿磁小体趋磁细菌、仅合成胶黄铁矿磁小体趋磁细菌以及同时合成子弹头形磁铁矿磁小体和不规则胶黄铁矿磁小体的杆状趋磁细菌。荧光原位杂交分析显示，同时合成磁铁矿和胶黄铁矿磁小体的杆状趋磁细菌属于δ-变形菌纲的硫酸盐还原菌（图2）。

 

该研究首次发现δ-变形菌纲产胶黄铁矿趋磁细菌在富硫淡水环境中分布，可能参与了硫和铁等元素循环，具有一定环境指示意义。这类产胶黄铁矿趋磁细菌的发现，也为判别沉积物中胶黄铁矿的来源提供了依据。

 

该研究成果近期发表在国际微生物学期刊Applied and Environmental Microbiology（Wang et al. High diversity of the magnetotactic Deltaproteobacteria in a freshwater niche. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(8): 2813-2817）。

 

 

 

图1 沉积物中S^2-, SO₄^2-, O₂, PO₄^3-, NH₄⁺浓度和趋磁细菌随深度变化

 

 

图2 同时合成胶黄铁矿和磁铁矿磁小体趋磁杆菌的荧光原位杂交、高分辨透射电镜及能谱分析结果