研究簡介:格陵蘭島Ikka峽灣位于格陵蘭島西南部，擁有獨特的石灰華柱，這些柱子由ikaite（一種六水合鈣碳酸鹽）構(gòu)成，從海床突出，高度可達(dá)20米以上。石灰華柱的形成與富含堿性磷酸鹽和碳酸鹽的泉水從海底滲出并在遇到冷海水時沉積方解石有關(guān)。盡管石灰華柱的科學(xué)探索相對較新，但它們在古老的因紐特人傳說中已有記載。系統(tǒng)的科學(xué)研究始于1995年，包括地質(zhì)學(xué)、動物學(xué)、植物學(xué)和微生物學(xué)研究。Ikka峽灣的環(huán)境條件獨特，堿性水與冷海水混合，觸發(fā)方解石結(jié)晶，形成了具有高度結(jié)構(gòu)化的方解石基質(zhì)。石灰華柱上生長著多樣的附石生物，包括雙殼類、蝸牛、被囊動物、海葵、海膽等，這些生物為脆弱的方解石表面提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。先前的微生物學(xué)研究主要集中在細(xì)菌多樣性上，尤其是可能含有冷活性酶的異養(yǎng)細(xì)菌。然而，對于石灰華柱中微生物的代謝潛力和光合自養(yǎng)菌的詳細(xì)分析尚未提供。盡管對方解石柱的某些部分進(jìn)行了分子系統(tǒng)發(fā)育分析，但至今尚未進(jìn)行微生物活動的原位測量，對方解石柱中微生物的物理和化學(xué)微環(huán)境了解甚少。本研究旨在首次詳細(xì)調(diào)查方解石石灰華柱光暴露頂端新沉積的方解石上生長的微生物光合自養(yǎng)菌的物理化學(xué)微環(huán)境和含氧光合作用，并結(jié)合分子分析研究這一極端且獨特的微生物棲息地中的光合自養(yǎng)菌群落。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

使用水下壓力補(bǔ)償?shù)腃lark型O2針狀電極（OX-N，Unisense A/S；Revsbech，1989）和帶有獨立的銀/氯化銀開放式參考宏電極的壓力補(bǔ)償pH玻璃針狀電極（pH-N，Unisense A/S）獲得了O2和pH的原位剖面。這些電極連接到四通道水下微傳感器測量儀（Underwater Meter System，Unisense A/S，丹麥奧胡斯）。在現(xiàn)場水溫下，O2電極通過在通氣海水和加入了連二亞硫酸鈉的無氧海水中的信號讀數(shù)線性校準(zhǔn)。pH電極在現(xiàn)場水溫下通過在標(biāo)準(zhǔn)pH緩沖液（pH 7和10）中的兩點校準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。針狀傳感器的測量由潛水員手持進(jìn)行，潛水員可以小心地將針狀傳感器按5 mm的步長插入多孔的方解石基質(zhì)中，按照針尖上的標(biāo)記進(jìn)）。剖面測量從柱表面到柱內(nèi)約15-25 mm深度進(jìn)行。

實驗結(jié)果

格陵蘭Ikka峽灣石灰?guī)r柱的最上部區(qū)域寄存著活躍的微藻和藍(lán)細(xì)菌群落，這些生物嵌入在外生聚合物中，并分層在多孔石灰?guī)r矩陣的最外層約2厘米處的黃色和綠色區(qū)域中。四通道水下微傳感器測量系統(tǒng)（unisesne MP4），在石灰?guī)r晶體矩陣最外層的2厘米內(nèi)存在明顯的O2和pH梯度。pH從海水的pH 8.2增加到柱體表面的約pH 9，然后在距表面1-2厘米的位置進(jìn)一步增加至約pH 10，這種變化不受環(huán)境輻射水平的影響。在石灰?guī)r中的O2濃度測量顯示，盡管石灰?guī)r晶體和光合生物嵌入的多孔EPS表現(xiàn)出氣泡積累，但從缺氧到高氧條件的動態(tài)明顯。變化的葉綠素?zé)晒鉁y量證實，石灰?guī)r的色素層中存在活躍的光合作用，這些層顯示出低光適應(yīng)性和高量子產(chǎn)率。因，密集的色素層光合生物和觀察到的化學(xué)動態(tài)表明，在石灰?guī)r晶體矩陣內(nèi)部存在光合內(nèi)生生物膜，這可能影響石灰?guī)r沉積和鈣華柱中的其他生物地球化學(xué)過程。

圖1、|伊卡峽灣(A)標(biāo)示格陵蘭地圖，伊卡峽灣位于西南部。(B)伊卡峽灣及鄰近的峽灣。(C)自(B)中插圖，顯示伊卡石柱的分布，以及周圍山區(qū)礦物質(zhì)的粗略概述，通過等高線顯示地形，伊卡石鈣華的分布用藍(lán)色點標(biāo)示

圖2|伊卡石柱。(A)潛水員在距平均海平面7米深處進(jìn)行水下微剖面pH值測量。(B)近景照片顯示潛水員操作的針狀氧氣傳感器連接到水下微傳感器儀表上。潛水員使用針狀傳感器上的標(biāo)記，小心地將傳感器插入多孔伊卡石基質(zhì)進(jìn)行測量。

圖3、伊卡石中的生物膜層。(A)帶有密集綠色和黃色條紋的伊卡石柱橫截面，條紋厚度不同。(B)生物膜的近景。(C)帶有絲狀藍(lán)細(xì)菌的伊卡石晶體的近景。(D)幾個伊卡石柱融合在一起的橫截面，表面有密集的綠色和黃色條紋。(E,F)伊卡石中綠色生物膜的原位暴露。(E)帶有刀片尖端的完整伊卡石表面。(F)刮掉外部約15毫米厚的伊卡石層后顯露出的亞表面色素層和小氣泡。

圖4、條形圖顯示測量伊卡石基質(zhì)深度增加時的原位氧氣濃度剖面（以%空氣飽和度表示）。數(shù)據(jù)來自兩個野外實驗：（A，B）2012年和（C，D）2013年。圖表顯示白天測量（A，C）和日落后1-3小時的測量（B，D）。顏色表示在伊卡石鈣華柱上的測量位置；S=南，E=東，N=北，W=西，T=頂部。均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（n=3-25）；沒有誤差條的柱形圖n<3。復(fù)制品數(shù)量的廣泛跨度是由于各種因素（例如水流、寒冷暴露、疲勞）使得潛水員在某些方向上難以在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定。

圖5、2013年野外實驗期間在伊卡石基質(zhì)內(nèi)部約15毫米處測得的光子輻照度（藍(lán)色）和氧氣濃度（紅色）的晝夜變化。在海平面平均7米深處的伊卡石鈣華柱頂部獲取。面板（A）是在晴朗天氣下獲得的，（B）是在完全陰天的情況下獲得的。虛線豎線表示中午（12:00），灰色區(qū)域表示夜間，淺黃色區(qū)域表示日出后和日落前的間接光，深黃色表示陽光從直接照亮峽灣的山脈中清晰照射的時間段。

結(jié)論與展望

格陵蘭西南部的Ikka峽灣內(nèi)存在一種獨特的微生物棲息地，這里有數(shù)百個由方解石（鈣的六水合碳酸鹽形式）組成的海底石灰華柱。當(dāng)富含堿性磷酸鹽和碳酸鹽的泉水從海底滲出并遇到冷海水時，方解石便會沉淀出來。雖然從這些石灰華柱中分離出了一些獨特的異養(yǎng)微生物，但關(guān)于微生物活動以及方解石中微生物生長的邊界條件尚未得到探討。本文首次詳細(xì)描述了在方解石柱內(nèi)生長的含氧光合自養(yǎng)菌的物理化學(xué)微環(huán)境和活動。通過在多孔方解石晶體基質(zhì)中進(jìn)行原位水下微傳感器測量，揭示了一個極端的微環(huán)境，其特征是低溫、強(qiáng)光衰減和pH值梯度，從石灰華柱外表面的pH 9變化到方解石內(nèi)1-2厘米處的pH值超過10。這個新沉積的方解石基質(zhì)的外層包含密集的黃色和綠色色素區(qū)，分別由硅藻和藍(lán)藻主導(dǎo)的多樣性光合自養(yǎng)菌群落，這一點通過擴(kuò)增子測序得到了證實。原位氧氣測量以及水下變異葉綠素?zé)晒鉁y量顯示，在這個極端梯度環(huán)境中，氧氣光合作用水平很高，強(qiáng)光照驅(qū)動的氧氣動態(tài)在方解石基質(zhì)中從缺氧到超氧的條件變化，盡管局部氣泡形成緩沖了石灰華柱中氧氣的晝夜動態(tài)。方解石基質(zhì)中的微生物光合自養(yǎng)菌嵌入在形成內(nèi)生生物膜的胞外聚合物中，這些生物膜可能與礦物的形成和方解石晶體的固結(jié)相互作用。

Unisense MP4原位剖面分析系統(tǒng)用以監(jiān)測和分析Ikka峽灣中Ikaite Tufa柱的微生物棲息地的物理化學(xué)條件，通過精確測量ikaite柱內(nèi)O2濃度和pH值。這對于理解微生物群落的代謝活動和它們所處的化學(xué)環(huán)境至關(guān)重要，揭示了這個獨特生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和微生物群落的代謝活動。