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緊密耦合的微生物群落在時(shí)空尺度上調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)循環(huán)，這通常無法通過傳統(tǒng)分析方法進(jìn)行檢測(cè)。粉紅色漿果提供了一個(gè)可訪問的模型系統(tǒng)來研究與聚集體相關(guān)的“神秘”硫循環(huán)，這一過程可能在全球生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化中發(fā)揮重要作用。例如，在海洋系統(tǒng)中，據(jù)報(bào)道，在來自最低氧區(qū)的未檢測(cè)到硫化物的區(qū)域中存在豐富的硫化物氧化譜系（SUP05、SAR324、Agg47）（Walsh等人，2009年；Canfield等人，2010年；Fuchsman等人）al.,2011)到含氧深海(Swan et al.,2011)。有關(guān)這些硫化物氧化譜系與下沉有機(jī)顆粒（海洋雪）相關(guān)的報(bào)告表明，它們與硫酸鹽還原物種存在同養(yǎng)伙伴關(guān)系，盡管尚未證明這種還原硫化合物的種間轉(zhuǎn)移。最近的工作還表明，來自酸性礦山排水的聚生體（Norlund都發(fā)生了種間硫轉(zhuǎn)移等人，2009年）和負(fù)責(zé)深海甲烷厭氧氧化的同養(yǎng)聚生體（Milucka等人，2012年）。
粉紅色漿果，主要由紫色硫細(xì)菌物種（PB-PSB1，Chromatiaceae）和推定的硫酸鹽還原細(xì)菌物種（PB-SRB1，聚生體Desulfobulbaceae）組成的，提供了一個(gè)易于處理的系統(tǒng)來開始解密驅(qū)動(dòng)硫循環(huán)的微生物代謝伙伴關(guān)系在微觀層面?；谙到y(tǒng)發(fā)育信息（即這些物種養(yǎng)殖近緣種的生理學(xué)）和粉紅色漿果的保守空間結(jié)構(gòu)的組合，我們假設(shè)PB-SRB1對(duì)漿果內(nèi)硫酸鹽的還原為PB-PSB1提供了硫化物的局部來源（圖.9).即使在外源硫化物含量低或不存在的情況下，這種關(guān)聯(lián)也會(huì)使PB-PSB1保持光合活性，例如在峰值光照條件下，當(dāng)沉積物中的趨化層相對(duì)于其夜間水平向下移動(dòng)幾厘米時(shí)（Revsbech等人，1983年）；狄龍等人，2009年）。驅(qū)動(dòng)硫酸鹽還原的電子供體可以由光合產(chǎn)物局部提供，也可以由沉積物外源提供（圖9）。宏基因組測(cè)序證實(shí)了這種漿果內(nèi)硫循環(huán)的遺傳潛力；硫酸鹽還原和硫化物氧化的完整代謝途徑分別存在于PB-SRB1和PB-PSB1的基因組中。
圖9
粉紅色漿果財(cái)團(tuán)中硫循環(huán)的模型。PB-SRB1（綠色棒）將硫酸鹽還原為硫化物，氧化來自外源沉積物來源或由PB-PSB1產(chǎn)生的本地提供的光合產(chǎn)物的各種電子供體。PB-PSB1（粉紅色球菌）消耗自養(yǎng)硫化物，將硫化物氧化成硫酸鹽，并在細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存元素硫（S 0，淡黃色圓圈）。如果PB-PSB1細(xì)胞裂解，PB-SRB1（灰色虛線箭頭）可能會(huì)減少和/或使細(xì)胞內(nèi)硫不成比例。PB-PSB1(HS一些電子供體-)和PB-SRB1（H 2或脂肪酸）的也可能由沉積物流出的化合物（波浪線）外源提供。白天，光養(yǎng)型PB-PSB1將CO固定2到生物質(zhì)中，而在夜間，它可以通過呼吸元素硫和細(xì)胞內(nèi)碳水化合物儲(chǔ)備并產(chǎn)生硫化物來獲取維持能量。盡管PB-SRB1基因組表明具有固定CO的遺傳潛力2，但我們的穩(wěn)定和放射性碳實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在我們的孵化條件下，PB-SRB1對(duì)漿果中的碳固定沒有顯著貢獻(xiàn)。
為了測(cè)試這種代謝模型，使用高分辨率地球化學(xué)方法（SIMS、nanoSIMS、微伏安法）來跟蹤從硫代謝物庫到細(xì)胞特異性硫同化和生物分子的神秘硫循環(huán)。Sulfur-34穩(wěn)定同位素標(biāo)記使我們能夠跟蹤聚集體中硫的流動(dòng)，從PB-SRB1對(duì)硫酸鹽的還原，到種間轉(zhuǎn)移和摻入PB-PSB1細(xì)胞。在與孵育后34富含S的硫酸鹽，我們?cè)赑B-PSB1細(xì)胞中觀察到點(diǎn)狀、溶劑不穩(wěn)定的硫34富集（圖8），這與細(xì)胞內(nèi)硫球中標(biāo)記硫的積累一致（圖3）。
PB-PSB1的這種硫34富集不太可能通過直接摻入同位素標(biāo)記的硫酸鹽而發(fā)生。的細(xì)胞硫Chromatiaceae物種主要由元素硫的周質(zhì)儲(chǔ)存（細(xì)胞總重量的34%）支配，它完全來自還原硫池（Dahl和Prange，2006年）。此外，許多染色科，包括與PB-PSB1最接近的培養(yǎng)近緣種，無法同化硫酸鹽(Dahl,2008;Kumar et al.,2009)。即使在那些可以同化硫酸鹽的物種中，這一過程也被認(rèn)為在缺氧光石營養(yǎng)生長過程中受到抑制（Neumann等人，2000年；Sander和Dahl，2008年）。在光有機(jī)營養(yǎng)生長過程中，模型Chromatiaceae物種Allochromatium vinosum通過cysTWA硫酸鹽ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和硫酸鹽cysDN解酶同化ATP-硫同化。這些基因的同源物在PB-PSB1基因組中未發(fā)現(xiàn)，以及對(duì)整個(gè)組裝宏基因組數(shù)據(jù)恢復(fù)搜索從基因更密切相關(guān)的那些從生物體只有遙遠(yuǎn)的序列匹配擬桿菌，α-變形菌或Desulfobulbaceae。
由于直接34 PB-PSB1細(xì)胞不太可能摻入S-硫酸鹽，我們建議PB-SRB1將34 S-硫酸鹽標(biāo)記還原為硫化物，然后被PB-PSB1吸收并重新氧化為元素硫（圖3）。9）。與此解釋相一致，我們發(fā)現(xiàn)，粉紅色漿果迅速氧化硫化物（圖6 A）和的積累34在PB-PSB1 S-標(biāo)簽被依賴于硫酸鹽還原細(xì)菌（圖的活性8 C）。當(dāng)鉬酸鈉抑制硫酸鹽還原時(shí)，未觀察到Sulfur-34富集。雖然將“特定”抑制劑（例如鉬酸鹽）應(yīng)用于混合微生物種群可能會(huì)對(duì)非目標(biāo)生物產(chǎn)生意想不到的后果（Oremland和Capone，1988年），但我們已經(jīng)通過證明紅外線不會(huì)直接抑制PB-PSB1在外源硫化物存在的情況下，在短時(shí)間（1-4小時(shí)）孵育期間的光依賴性碳固定（圖8 D）。在較長的溫育，其中外源硫化物成為限制性的（4天），鉬酸治療減少碳（圖的光依賴性固定8 C）。SRB抑制導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)力的降低支持了這樣的假設(shè)，即自養(yǎng)供應(yīng)的硫化物緩沖液PB-PSB1免受間歇性硫化物剝奪。
在確定了粉紅色漿果中硫酸鹽還原的重要性之后，我們?cè)噲D描述粉紅色漿果中還原硫的池。PB-SRB1和PB-PSB1的密切物理關(guān)聯(lián)（圖4）表明還原硫物質(zhì)的再氧化發(fā)生在非常短的時(shí)空尺度上。以前使用克拉克型硫化物微電極的研究無法檢測(cè)到硫化物（Seitz等，1993年），我們只能偶爾使用微伏安法和克拉克型硫化物微電極測(cè)量非常大的聚集體中微摩爾濃度的硫化物（圖.6乙）。硫化物池的短暫性質(zhì)支持我們?cè)谶@種密切耦合的代謝伙伴關(guān)系中快速消耗硫化物的預(yù)測(cè)。在我們描述的條件下，觀察到粉紅色漿果是硫化物的凈消費(fèi)者。然而，消費(fèi)和生產(chǎn)之間的這種平衡可能受到許多因素（例如光周期的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間、溫度、電子供體供應(yīng)）的影響，需要進(jìn)一步研究以更好地闡明聚生體中硫化物通量的決定因素。
在漿果中檢測(cè)到的這種硫化物的最可能來源是PB-SRB1對(duì)硫酸鹽的還原。然而，硫化物也可以通過其他幾種代謝過程產(chǎn)生（圖9），包括：(i)PB-SRB1還原元素硫，(ii)PB-SRB1使元素硫或硫代硫酸鹽歧化或(iii)PB-PSB1對(duì)儲(chǔ)存的碳水化合物進(jìn)行暗相呼吸并伴隨周質(zhì)元素硫儲(chǔ)備的減少，產(chǎn)生聚羥基鏈烷酸酯和硫化物（van Gemerden，1968年；Rothermich等，2000年）。為了進(jìn)一步了解粉紅色漿果硫循環(huán)的地球化學(xué)，我們表征了這種漿果內(nèi)硫化物的空間分布和穩(wěn)定同位素組成。
硫的氧化池和還原池之間穩(wěn)定同位素比率的差異被廣泛用于硫循環(huán)的現(xiàn)代和古生態(tài)重建（Canfield和Teske，1996年；Habicht等人，1998年；Canfield，2001年；Hurtgen等人，2005年；Fike等人，2006年；Fike和Grotzinger，2008年；Sim等人，2011a)。由無氧光養(yǎng)生物（例如PB-PSB1）介導(dǎo)的硫化物氧化被認(rèn)為對(duì)硫同位素的分餾影響很?。↖vanov等人，1977年；Fry等人，1984年；1985年；Zerkle等人，2009年）。然而，硫酸鹽還原和硫歧化都可以產(chǎn)生相對(duì)于起始硫酸鹽庫而言重穩(wěn)定同位素顯著耗盡的硫化物（Canfield，2001年；Sim等，2011a）。盡管廣泛使用硫同位素分餾來推斷硫循環(huán)，但我們對(duì)這些測(cè)量中編碼的微生物代謝信息的理解主要基于單一物種的純培養(yǎng)研究（Kaplan和Rittenberg，1964年；Kemp和Thode，1968年；Sim et al.,2011b)或在微生物群落特征較差的原位地球化學(xué)測(cè)量中(Habicht和Canfield,2001;Brüchert,2004)。
毫米大小的粉紅色漿果聚生體提供了一個(gè)約束良好的多物種生態(tài)系統(tǒng)，可以在其中檢查硫同位素組成（δ微米級(jí)空間變化34 S硫化物）的。在銀線上使用硫化物捕獲，該技術(shù)最初用于放射性示蹤劑35 S測(cè)量（Cohen，1984年；Visscher等人，2000年；Dubilier等人，2001年），結(jié)合SIMSδ34 S測(cè)量，闡明了增加的梯度硫化物濃度和同位素消耗（較低的δ34從外圍到大粉紅色漿果中心的S值）（圖7）。在漿果中觀察到的這些同位素地球化學(xué)梯度類似于到的δ34 S硫化物從銀盤上SIMS橫斷面觀察趨勢(shì)，穿過格雷羅內(nèi)格羅光合墊的氧化層（Fike和Grotzinger，2008年；Fike等人，2008年；2009年）。
在漿果中觀察到的硫化物-硫酸鹽分餾范圍（外圍15‰至聚集體中心53‰）與硫酸鹽還原菌純培養(yǎng)物報(bào)告的值一致，范圍從0‰到66‰（Sim等，2011a)。大的同位素分餾，例如在漿果中心觀察到的那些，可以由(i)緩慢生長的硫酸鹽還原細(xì)菌與難治性或生長限制濃度的電子供體一起產(chǎn)生（Sim等人，2011a,b；Leavitt等人，2013年），或(ii)還原和氧化過程耦合代謝活動(dòng)的逐步方式（例如PB-PSB1的光養(yǎng)硫化物氧化或PB-SRB1的中間氧化態(tài)硫歧化；參見支持信息S1更詳細(xì)地討論可能產(chǎn)生觀察到的同位素梯度的機(jī)制）。
在屬中培養(yǎng)的PB-SRB1 Desulfofustis和Desulfocapsa親緣關(guān)系能夠進(jìn)行硫酸鹽還原和元素硫或硫代硫酸鹽的歧化（Finster，2008年），證實(shí)了我們的同位素發(fā)現(xiàn)，這表明歧化可能有助于粉紅色漿果硫化物池。生態(tài)生理學(xué)和基因組數(shù)據(jù)都強(qiáng)烈支持PB-SRB1能夠還原硫酸鹽的結(jié)論，盡管PB-SRB1使元素硫或硫代硫酸鹽歧化的基因組證據(jù)仍然不太清楚。盡管最近對(duì)測(cè)序，但歧化所需的確切基因組仍然未知Desulfocapsa sulfexigens（劑）進(jìn)行一種不能進(jìn)行硫酸鹽還原的硫歧化了（Finster等人，2013年）。除了亞硫酸鹽氧化還原酶(Frederiksen and Finster,硫歧化途徑似乎涉及許多用于硫酸鹽還原的相同基因，在2003)外，PB-SRB1和D.sulfexigens(Finster等人，2013年）。
在純培養(yǎng)中，只有在硫化物匯存在的情況下才描述了元素硫歧化的生長，該硫化物匯保持外源硫化物濃度低，為該反應(yīng)提供熱力學(xué)有利條件（Canfield等人，1998年；Finster，2008年）。PB-PSB1對(duì)硫化物的光養(yǎng)消耗在聚生體中提供了一個(gè)生物硫化物匯，可以為元素硫歧化創(chuàng)造一個(gè)有吸引力的生態(tài)位，具有豐富的硫沉積物和低濃度的硫化物。如果硫化物達(dá)到更高的濃度，多硫化物的歧化可能成為PB-SRB1代謝策略的重要組成部分。最近對(duì)厭氧甲烷氧化財(cái)團(tuán)的研究表明，至少一些硫酸鹽還原財(cái)團(tuán)成員可以通過元素硫與硫化物的非生物反應(yīng)使硫化環(huán)境中形成的二硫化物不成比例（Milucka等，2012）。
結(jié)論
追蹤在天然微生物群落中驅(qū)動(dòng)微尺度生物地球化學(xué)過程的種間代謝交換仍然是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，層狀光合微生物墊中的生物地球化學(xué)循環(huán)已經(jīng)研究了幾十年（例如Canfield和Des Marais，1993年；Decker等人，2005年；Baumgartner等人，2009年；Petroff等人，2011年），但微生物相互作用控制底物通量（Burow等人，2013年）和地球化學(xué)特征（Fike和Grotzinger，2008年；Fike等人，2008年）才剛剛開始被理解。使用粉紅色漿果，我們展示了如何使用綜合微生物學(xué)和微地球化學(xué)方法來解密在微觀尺度上驅(qū)動(dòng)硫循環(huán)的微生物代謝伙伴關(guān)系。這種方法最終可能用于檢查更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，提供了同養(yǎng)種間硫轉(zhuǎn)移的直接證據(jù)。
硫化物豐度和同位素組成空間梯度的SIMS分析為這種微尺度硫循環(huán)提供了地球化學(xué)背景。我們發(fā)現(xiàn)值得注意的是，即使在這個(gè)描述充分、多樣性有限的系統(tǒng)中，觀察到的硫化物同位素變化也可以用許多不同的合理場(chǎng)景來解釋，從單獨(dú)的硫酸鹽還原到一系列耦合的還原和氧化過程（另見支持信息S1)。這種模糊性表明，單獨(dú)使用此類數(shù)據(jù)重建更復(fù)雜的沉積系統(tǒng)（包括古代和現(xiàn)代）中的硫循環(huán)時(shí)應(yīng)該小心。雖然我們已經(jīng)證明了硫循環(huán)的一部分（硫酸鹽還原和硫化物氧化）的活性，但我們的工作和其他基于硫的同養(yǎng)物（Norlund等人，2009年；Milucka等人，2012年）的數(shù)據(jù)表明，也可能存在存在一個(gè)涉及中間氧化態(tài)硫物質(zhì)（例如元素硫、二硫化物、硫代硫酸鹽）的代謝相互作用網(wǎng)絡(luò)，仍有待探索。
《鹽堿地沼澤中的光養(yǎng)粉紅色貝類的微量硫循環(huán)》——概括 、介紹
《鹽堿地沼澤中的光養(yǎng)粉紅色貝類的微量硫循環(huán)》——結(jié)果
