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新发现 地球及其资源 发布日期:2021年8月30日

真正的超级英雄:微生物生存下来!

摘要

你知道微生物可以生活在遥远的云层和地壳深处吗?这些微小的生物已经适应了地球上所有特殊的栖息地。为了研究特殊的栖息地,科学家可以专注于微生物及其生物反应,或非生命成分,如矿物质和化学反应。然而,很难将两者分开!由于很少有人知道在不改变样品的非生物性质的情况下从环境样品中去除微生物的最佳方法,我们决定进行一个实验来找出答案。我们将海洋沉积物暴露在三种不同的杀菌方法中,看看哪种方法最能消除微生物。我们还研究了这三种方法是否会影响样品的化学性质。我们发现,创造无菌环境具有挑战性,因为一些微生物可以在高压、高温、辐射和有毒化学物质中存活!

微生物可以生活在任何地方!

微生物是地球上最早的生命形式。它们也是最小的!“微生物”一词描述了一组不同的单细胞生物,包括细菌、古细菌、一些真菌、藻类、原生动物和病毒。这些生物由于体积太小,只能用显微镜观察。微生物生活在我们的胃里和皮肤上,但它们也生活在其他任何地方——从地壳的最深处到云层的高处。有些甚至生活在南极冰层下,或生活在35亿年前的火山岩中,或生活在温泉中。图1一个).它们存在于极端温度下,无论温度是冷是热,在死海的极端盐度中,在核反应堆的极端辐射中,在深海的高压下,在完全干燥的甜点中,在酸性和碱性湖泊中。尽管这些极端条件对大多数其他生命形式来说都是有毒的,但细菌已经进化出了抵抗恶劣条件并生存下来的方法。

图1 - (A)微生物可以在地球上的任何地方生存,即使是在极端条件下,比如几乎没有水和很大压力的地壳深处,以及以前被认为是完全无菌的环境中,比如美国宇航局的无尘室,它是我们星球上最干净的房间,但也含有微生物的痕迹。
  • 图一-(一)微生物可以在地球上的任何地方生存,即使是在极端条件下,比如地壳深处,几乎没有水,压力很大,以及以前被认为是完全无菌的环境中,比如美国宇航局的无尘室,它是我们星球上最干净的房间,但也含有微生物的痕迹。
  • (B)生活在极端环境中的微生物进化出了几种迷人的生存策略。

极端条件下微生物的生存秘密

微生物进化出了几种令人着迷的策略,以帮助它们在极端环境中生存(图1 b).在这里,我们解释其中的一些。

代谢的灵活性

许多微生物已经进化出了改变它们吃什么食物的能力,这取决于有什么可用。有些人还可以调整他们的新陈代谢改变环境,如热或冷[1].

休眠

当条件不利时,一些微生物可以进入一种状态休眠类似于“睡眠模式”。它们减缓新陈代谢,吃得少,长得少,直到条件再次好转。

孢子

当条件不利时,一些微生物可以在自己周围形成一层特殊的毯子,由特殊的蛋白质组成。这些受保护的表单被称为孢子。孢子可以帮助微生物在恶劣的条件下生存数千年!

修复机制

极端条件会破坏微生物的遗传物质。遗传物质包括DNA和RNA,它们被称为核酸。一些微生物进化出了特殊的修复机制来修复核酸损伤。

耐热性

一些微生物具有特殊的蛋白质和脂质,可以保护它们免受高温的伤害。希腊前缀热-而且烟花,告诉我们这些热微生物和火微生物可以生活在靠近热和火的地方。

Radio-Resistance

伽马射线是放射性物质衰变产生的一种辐射。因为伽马射线可以穿透组织和细胞,它们对大多数生物都是非常危险的。一些微生物会产生特殊的色素,作为抵御伽马射线的保护罩。这些抗辐射微生物还含有其遗传信息的多个副本,这有助于它们在一个副本被辐射损坏时存活下来。

杀灭微生物的最佳方法是什么?

微生物对我们的环境有着巨大的影响——它们使地球上的生命成为可能。大多数微生物的栖息地还没有得到很好的研究。例如,95%的海洋仍然没有很好的特征。这意味着探索海洋栖息地的研究人员还有很多工作要做!当研究人员研究来自环境的样本时,他们通常想知道这些样本中发生的过程是否正常生物过程,这意味着它们是由活微生物的生物活性驱动的,或者它们是否是地球化学过程,这意味着它们是由非生物的化学反应驱动的,没有生物的活动(图2一个).要知道哪些过程正在发生,一种方法是消除环境样品中的所有微生物,这样就可以单独研究地球化学过程。从样品中去除所有微生物被称为灭菌图2 b) [2].

图2
  • 图2
  • (一)在环境沉积物中,有微生物介导的生物过程和化学物质介导的地球化学过程。(B)科学家对环境样品进行消毒,以研究样品的化学性质,而不受微生物生物反应的干扰。灭菌方法包括高压灭菌、伽马射线辐射或有毒化学物质处理。(C)灭菌方法的有效性可以通过测量生物因素来评估,如微生物在琼脂板上的生长,生产力(消耗氨基酸等食物,消化和形成生物量),以及核酸的存在。灭菌还会影响样品的地球化学性质,导致样品中的矿物质发生变化或导致某些物质的释放。

为了有效地研究地球化学过程,样品的灭菌方法不能影响地球化学过程。在我们的实验之前,人们对灭菌方法是否会改变环境样品的地球化学性质知之甚少。因此,我们决定研究常用的杀菌技术对海洋沉积物的影响。我们很快发现这个问题并不像看起来那么简单!

我们如何证明环境样本是无菌的?

“不育”到底是什么意思?根据定义,它意味着某物完全清洁,没有活的微生物。当我们想要从实验样品中去除微生物时,我们必须考虑如何测试微生物的存在。我们如何知道微生物是否有生命?众所周知,活细胞的特征包括:有组织的细胞结构,完整的细胞膜,对化学物质或光等刺激的反应能力,以及生长和繁殖的能力。我们可以很容易地在实验室中测量其中的一些性质(图2 c).我们可以通过在显微镜下计算活细胞的数量来检查微生物的繁殖,或者通过在含有营养丰富食物的琼脂培养皿中培养它们。我们可以检查微生物的生产力,这意味着在实验室中跟踪微生物的活动,通过量化微生物的进食、消化和生产。例如,我们可以测量微生物在生产生物量生长时摄入了多少氨基酸。还有一些实验室技术可以测量样品中核酸(RNA和DNA)的数量,从而提供有关当前微生物群落以及哪些微生物是活跃的信息。

我们的海洋沉积物研究

为了确定对海洋沉积物样本进行灭菌的最有效方法,我们研究了不同灭菌方法对海洋沉积物的影响。我们的研究小组装备了胶靴、铁锹、手套和水桶,在波罗的海沿岸的丹麦收集了海洋沉积物。我们用三种方法对这些样品进行消毒:高压灭菌法,样品暴露在高温(121°C)和高压下;高剂量的伽玛辐射;或者高浓度的叠氮化钠(图2 b) [2].

在灭菌处理后,我们通过直接在琼脂板上计数来寻找样品中微生物的存在,检测它们生长了多少,并测量存在的核酸的数量。我们在绝育后立即进行测量,两周后再次进行测量。在同一时间点,我们评估了样品的地球化学性质,看看是否有物质从样品中释放出来,或者矿物是否因灭菌过程而发生变化(图2 c).

核酸仍然存在于灭菌的样品中!

令人惊讶的是,我们仍然在所有灭菌程序后立即发现核酸(图3一) [2].到目前为止,我们知道死亡微生物的DNA可以在海洋沉积物中存留数周至数年[3.].RNA通常主要存在于活的微生物群落中,但有迹象表明,RNA在生物死亡后仍然存在很长一段时间,而且RNA在海洋沉积物中的稳定性可能比以前假设的要高[3.].核酸可以被一种叫做酶的特殊蛋白质分解,它的作用就像分子剪刀。在用高压灭菌灭菌后,我们知道DNA切割酶仍在工作,因为2周后DNA的数量减少了。叠氮化钠等化学物质不会影响大多数核酸切割酶,这可以从这些样品中DNA和RNA在2周时间点的降解中得到说明。然而,在伽玛照射的样本中,2周后仍存在低水平的RNA。有可能是RNA切割酶被辐射破坏,不再能够降解RNA。核酸的存在是否意味着样本是无菌的?

图3 - (A)调查了常见的灭菌技术,以确定其对环境样品和微生物的影响。
  • 图3 -(一)研究了常见的灭菌技术,以确定其对环境样品和微生物的影响。
  • 高压灭菌法去除所有微生物痕迹的效果最好,叠氮化钠效果最差。然而,高压灭菌对环境样品的影响最大,特别是灭菌后2周。(B)微生物有特殊的“骑士盔甲”,可以帮助它们在高温、高剂量的伽马射线和高浓度化学物质等任何环境下生存。从其他研究中,我们知道微生物也可以在低pH值和高pH值、压力、真空、紫外线、高盐度和许多其他恶劣条件下生存。

微生物存活,矿物质变化,物质释放

高压灭菌法被广泛用于杀菌,因为它使大多数真菌和原生动物失去活性。但在我们的实验中,许多细菌和古生菌在高压灭菌法中幸存下来(图3一) [2].此外,高压灭菌改变了沉积物样品中的矿物质,导致样品中释放出不同种类的物质。伽玛辐射的灭菌消除了大多数微生物,但它也导致沉积物样本中的物质释放,并改变了矿物质(图3一) [2].因此,高压灭菌和辐射可能不是用于环境样品的最佳灭菌方法,因为它们改变了样品的地球化学性质。叠氮化钠灭菌只能杀死少数微生物,但在两周的时间点上抑制了微生物的生长[24].叠氮化钠并没有改变我们样品中物质的释放或这些样品中的矿物质。

带回家的信息:微生物生存一切!

为了在环境样品中清楚地区分生物过程和地球化学过程,必须选择一种最佳的杀菌方法。然而,所有的方法似乎都有缺点,因此研究人员需要根据要回答的研究问题做出妥协。高压灭菌法应用于专注于生物特性的研究,而化学物质和伽马辐射可能更好地用于消毒将用于分析地球化学特性的样品。

我们的实验表明,微生物是看不见的英雄,比我们想象的要强大得多。图3 b) !虽然它们的生存技能确实令人惊叹,但这些技能使科学家很难研究海洋沉积物或其他栖息地的地球化学特性。由于微生物可以在几乎所有具有挑战性的条件下生存,包括高温、极压、强辐射和有毒化学物质,因此很难从环境样本中真正去除它们的所有痕迹。选择合适的灭菌方法也是一个挑战,因为有些方法也会影响样品的地球化学性质。我们的研究结果表明,生物,特别是微生物,与其环境密切相关。微生物和它们的环境以复杂的方式不断地相互影响,这使得生命有可能在地球上存在!

术语表

新陈代谢维持有机体生命的所有生化过程。简单地说,新陈代谢是吃、喝、消化和生长的总和。

休眠当微生物停止新陈代谢时,也就是当它们进入深度睡眠时,它们的生长、发育和身体活动就会暂时停止。

孢子一种微生物能在恶劣条件下长时间存活的状态。微生物在它们周围形成了一层特殊的毯子,类似于植物种子。

核酸储存遗传信息的复杂分子。这两种类型的核酸是DNA和RNA。DNA可以显示微生物的存在,RNA可以显示它们是否活跃。

生物过程生物有机体所进行的所有过程。

地球化学过程环境中发生的所有过程都是完全由化学反应驱动的。

灭菌杀菌:杀死、除去或灭活微生物的过程

高压灭菌器灭菌器一种加热或加压并用于杀死微生物的仪器

利益冲突

作者声明,这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的,这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。


原文

Otte, J. M., Blackwell, N., Soos, V., Rughöft, S., Maisch, M., Kappler, K.等。2018。杀菌对海洋沉积物的影响——我们能灭活环境样品中的微生物吗?《。生态。94:12。doi: 10.1093 / femsec / fiy189


参考文献

[1]Otte, J. M., Harter, J., Laufer, K., Blackwell, N., Kappler, A., and Kleindienst, S. 2018。活性铁循环细菌在海洋和淡水沉积物中的分布与地球化学梯度不耦合。环绕。Microbiol。20:2483 - 99。doi: 10.1111 / 1462 - 2920.14260

[2]Otte, J. M., Blackwell, N., Soos, V., Rughöft, S., Maisch, M., Kappler, K.等。2018。杀菌对海洋沉积物的影响——我们能灭活环境样品中的微生物吗?《。生态。94:12。doi: 10.1093 / femsec / fiy189

[3]Torti, A, Lever, M. A, Jørgensen, B. B. 2015。海洋沉积物中细胞外DNA库的起源、动力学和意义。3月基因组学24:185 - 96。doi: 10.1016 / j.margen.2015.08.007

[4]波尔,K. E,阿波斯特尔,C.,哈利基,S.,库兹亚科夫,Y.和迪波尔德,m.a . 2017。土壤微生物可以通过胞内和胞外代谢耦合来克服呼吸抑制:13C代谢示踪揭示了其机制。ISME J。6:1423-33。doi: 10.1038 / ismej.2017.3