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兩種細菌可協作「吃」錳化合物 助解水管堵塞之謎

2020/7/18 — 11:23

圖片素材來源:《戲王之王》片段截圖

圖片素材來源:《戲王之王》片段截圖

故事從一次忘記清洗實驗器皿開始。加州理工學院微生物學家 Jared Leadbeater 外遊公幹幾個月後,第一次回到辦公室時,發現了一些奇怪的東西。他不小心留在水槽中的玻璃器皿,原本有奶白色的碳酸錳 (manganese carbonate, MnCO3) 塗層,已經變黑。

黑色的物質是氧化錳 (maganese oxide) 的其中一種形式,這是當錳離子失去電子並經歷氧化反應時的產物,換言之,有東西偷走了錳離子的電子。

問題是,必須先有一個「電子小偷」引發反應。 Leadbeater 開始懷疑,「小偷」是否某種微生物。

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為了調查現象是否真的由生物過程造成, Leadbeater 的團隊用 MnCO3 塗在玻璃瓶上,並以高熱蒸氣消毒玻璃瓶,MnCO3 在這種條件下仍然穩定。團隊發現,經消毒的 MnCO3 塗層甚至在 1 年後也無變黑,但未經消毒的則變黑,顯示這些電子小偷可被蒸氣破壞。

團隊於玻璃瓶上蒐集樣本培植。核糖核酸 (RNA) 分析揭示瓶上含 70 種細菌,團隊排除絕大部份細菌,剩下兩個可能的罪魁禍首:月牙形的硝化螺旋菌 (Nitrospira) 與桿狀的 β 變形桿菌 (Betaproteobacteria) ,現時已知這兩類細菌都生活在地下水中。

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團隊指兩者無法單獨完成整個 MnCO3 變黑的過程,過程中有「協作」,但「動機」為何?團隊在部份培植皿加入已有碳 13 的錳,發現兩種細菌都會將該碳同位素攝取至體內,證明牠們能利用錳化合物的能量生產自己的「食物」。

深入調查發現,這些細菌利用錳電子的能量將二氧化碳 (CO2) 轉化為可用的碳,如植物在光合作用過程中利用陽光將 CO2 和水轉化為糖和氧氣一樣。

這種化能合成作用 (chemosynthesis) 已知在其他金屬上發生,但這是首次發現有細胞以這種方式使用錳製造能量,這些細菌早在個多世紀前已被發現。

錳也是人類必需的微量元素,身體會用錳來處理脂肪和蛋白質,錳亦有助骨骼形成,我們可從堅果、茶和綠葉蔬菜等食物中獲取之。

另外,雖然錳是地表最常見的元素之一,但人類對於錳的知識及其於地球上的循環過程仍有很多未知,包括其堵塞水管的奇怪趨向,新發現可能解釋到錳堵塞水管的現象。

團隊又指,細菌細胞倍增時間和氧化速率可在短短兩年內產生相當於全球儲備的錳氧化物,而這些細菌的近親似乎在許多地方都存在,因此牠們有可能在地球上不斷循環這種金屬。

無參與研究的加州理工學院地球生物學家 Woodward Fischer 認為,發現填補了人類對地球元素週期理解方面的大片空白。

來源:
Science Alert, Elusive Metal-Eating Bacteria Predicted Over a Century Ago Discovered in Lab Accident, 16 July 2020

報告:
Yu, H. & Leadbetter, J.R. (2020). Bacterial chemolithoautotrophy via manganese oxidation. Nature 583, 453–458. doi: 10.1038/s41586-020-2468-5

文/Alan Chiu

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