研究简介:格陵兰岛Ikka峡湾位于格陵兰岛西南部，拥有独特的石灰华柱，这些柱子由ikaite（一种六水合钙碳酸盐）构成，从海床突出，高度可达20米以上。石灰华柱的形成与富含碱性磷酸盐和碳酸盐的泉水从海底渗出并在遇到冷海水时沉积方解石有关。尽管石灰华柱的科学探索相对较新，但它们在古老的因纽特人传说中已有记载。系统的科学研究始于1995年，包括地质学、动物学、植物学和微生物学研究。Ikka峡湾的环境条件独特，碱性水与冷海水混合，触发方解石结晶，形成了具有高度结构化的方解石基质。石灰华柱上生长着多样的附石生物，包括双壳类、蜗牛、被囊动物、海葵、海胆等，这些生物为脆弱的方解石表面提供结构稳定性。先前的微生物学研究主要集中在细菌多样性上，尤其是可能含有冷活性酶的异养细菌。然而，对于石灰华柱中微生物的代谢潜力和光合自养菌的详细分析尚未提供。尽管对方解石柱的某些部分进行了分子系统发育分析，但至今尚未进行微生物活动的原位测量，对方解石柱中微生物的物理和化学微环境了解甚少。本研究旨在首次详细调查方解石石灰华柱光暴露顶端新沉积的方解石上生长的微生物光合自养菌的物理化学微环境和含氧光合作用，并结合分子分析研究这一极端且独特的微生物栖息地中的光合自养菌群落。


Unisense微电极系统的应用


使用水下压力补偿的Clark型O2针状电极（OX-N，Unisense A/S；Revsbech，1989）和带有独立的银/氯化银开放式参考宏电极的压力补偿pH玻璃针状电极（pH-N，Unisense A/S）获得了O2和pH的原位剖面。这些电极连接到四通道水下微传感器测量仪（Underwater Meter System，Unisense A/S，丹麦奥胡斯）。在现场水温下，O2电极通过在通气海水和加入了连二亚硫酸钠的无氧海水中的信号读数线性校准。pH电极在现场水温下通过在标准pH缓冲液（pH 7和10）中的两点校准进行校准。针状传感器的测量由潜水员手持进行，潜水员可以小心地将针状传感器按5 mm的步长插入多孔的方解石基质中，按照针尖上的标记进）。剖面测量从柱表面到柱内约15-25 mm深度进行。


实验结果


格陵兰Ikka峡湾石灰岩柱的最上部区域寄存着活跃的微藻和蓝细菌群落，这些生物嵌入在外生聚合物中，并分层在多孔石灰岩矩阵的最外层约2厘米处的黄色和绿色区域中。四通道水下微传感器测量系统（unisesne MP4），在石灰岩晶体矩阵最外层的2厘米内存在明显的O2和pH梯度。pH从海水的pH 8.2增加到柱体表面的约pH 9，然后在距表面1-2厘米的位置进一步增加至约pH 10，这种变化不受环境辐射水平的影响。在石灰岩中的O2浓度测量显示，尽管石灰岩晶体和光合生物嵌入的多孔EPS表现出气泡积累，但从缺氧到高氧条件的动态明显。变化的叶绿素荧光测量证实，石灰岩的色素层中存在活跃的光合作用，这些层显示出低光适应性和高量子产率。因，密集的色素层光合生物和观察到的化学动态表明，在石灰岩晶体矩阵内部存在光合内生生物膜，这可能影响石灰岩沉积和钙华柱中的其他生物地球化学过程。

图1、|伊卡峡湾(A)标示格陵兰地图，伊卡峡湾位于西南部。(B)伊卡峡湾及邻近的峡湾。(C)自(B)中插图，显示伊卡石柱的分布，以及周围山区矿物质的粗略概述，通过等高线显示地形，伊卡石钙华的分布用蓝色点标示

图2|伊卡石柱。(A)潜水员在距平均海平面7米深处进行水下微剖面pH值测量。(B)近景照片显示潜水员操作的针状氧气传感器连接到水下微传感器仪表上。潜水员使用针状传感器上的标记，小心地将传感器插入多孔伊卡石基质进行测量。

图3、伊卡石中的生物膜层。(A)带有密集绿色和黄色条纹的伊卡石柱横截面，条纹厚度不同。(B)生物膜的近景。(C)带有丝状蓝细菌的伊卡石晶体的近景。(D)几个伊卡石柱融合在一起的横截面，表面有密集的绿色和黄色条纹。(E,F)伊卡石中绿色生物膜的原位暴露。(E)带有刀片尖端的完整伊卡石表面。(F)刮掉外部约15毫米厚的伊卡石层后显露出的亚表面色素层和小气泡。

图4、条形图显示测量伊卡石基质深度增加时的原位氧气浓度剖面（以%空气饱和度表示）。数据来自两个野外实验：（A，B）2012年和（C，D）2013年。图表显示白天测量（A，C）和日落后1-3小时的测量（B，D）。颜色表示在伊卡石钙华柱上的测量位置；S=南，E=东，N=北，W=西，T=顶部。均值±标准误（n=3-25）；没有误差条的柱形图n<3。复制品数量的广泛跨度是由于各种因素（例如水流、寒冷暴露、疲劳）使得潜水员在某些方向上难以在较长时间内保持稳定。

图5、2013年野外实验期间在伊卡石基质内部约15毫米处测得的光子辐照度（蓝色）和氧气浓度（红色）的昼夜变化。在海平面平均7米深处的伊卡石钙华柱顶部获取。面板（A）是在晴朗天气下获得的，（B）是在完全阴天的情况下获得的。虚线竖线表示中午（12:00），灰色区域表示夜间，浅黄色区域表示日出后和日落前的间接光，深黄色表示阳光从直接照亮峡湾的山脉中清晰照射的时间段。


结论与展望


格陵兰西南部的Ikka峡湾内存在一种独特的微生物栖息地，这里有数百个由方解石（钙的六水合碳酸盐形式）组成的海底石灰华柱。当富含碱性磷酸盐和碳酸盐的泉水从海底渗出并遇到冷海水时，方解石便会沉淀出来。虽然从这些石灰华柱中分离出了一些独特的异养微生物，但关于微生物活动以及方解石中微生物生长的边界条件尚未得到探讨。本文首次详细描述了在方解石柱内生长的含氧光合自养菌的物理化学微环境和活动。通过在多孔方解石晶体基质中进行原位水下微传感器测量，揭示了一个极端的微环境，其特征是低温、强光衰减和pH值梯度，从石灰华柱外表面的pH 9变化到方解石内1-2厘米处的pH值超过10。这个新沉积的方解石基质的外层包含密集的黄色和绿色色素区，分别由硅藻和蓝藻主导的多样性光合自养菌群落，这一点通过扩增子测序得到了证实。原位氧气测量以及水下变异叶绿素荧光测量显示，在这个极端梯度环境中，氧气光合作用水平很高，强光照驱动的氧气动态在方解石基质中从缺氧到超氧的条件变化，尽管局部气泡形成缓冲了石灰华柱中氧气的昼夜动态。方解石基质中的微生物光合自养菌嵌入在形成内生生物膜的胞外聚合物中，这些生物膜可能与矿物的形成和方解石晶体的固结相互作用。


Unisense MP4原位剖面分析系统用以监测和分析Ikka峡湾中Ikaite Tufa柱的微生物栖息地的物理化学条件，通过精确测量ikaite柱内O2浓度和pH值。这对于理解微生物群落的代谢活动和它们所处的化学环境至关重要，揭示了这个独特生态系统的复杂性和微生物群落的代谢活动。