Name: 一个铁（II）的实验室模拟的前寒武纪富海洋上升流系统探索光合细菌生长 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-24T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 45 s
Description: 探索实验室模拟前寒武纪富铁海洋上升流系统的方法，研究蓝细菌光合作用产生的氧气与二价铁氧化形成化学跃层的过程。该技术为理解早期地球大气氧化和条带状铁建造沉积提供了重要的实验手段。

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<ol><li>Lyons, T. W., Reinhard, C. T., Planavsky, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+rise+of+oxygen+in+Earth%27s+early+ocean+and+atmosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The rise of oxygen in Earth's early ocean and atmosphere.</a> Nature. 506 (7488), 307-315 (2014).</li>
<li>Raymond, J., Blankenship, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origin+of+the+oxygen-evolving+complex%5BTitle%5D)+AND+%22Coord.+Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">The origin of the oxygen-evolving complex.</a> Coord. Chem. Rev. 252 (3-4), 377-383 (2008).</li>
<li>Kendall, B., Reinhard, C. T., Lyons, T., Kaufman, A. J., Poulton, S. W., Anbar, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pervasive+oxygenation+along+late+Archaean+ocean+margins%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Geosci%22%5BJournal%5D)">Pervasive oxygenation along late Archaean ocean margins.</a> Nature Geosci. 3 (9), 647-652 (2010).</li>
<li>Olson, S. L., Kump, L. R., Kasting, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantifying+the+areal+extent+and+dissolved+oxygen+concentrations+of+Archean+oxygen+oases%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Geol%22%5BJournal%5D)">Quantifying the areal extent and dissolved oxygen concentrations of Archean oxygen oases.</a> Chem. Geol. 362 (1), 35-43 (2013).</li>
<li>Satkoski, A. M., Beukes, N. J., Li, W., Beard, B. L., Johnson, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+redox-stratified+ocean+3.2+billion+years+ago%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+Planet.+Sci.+Lett%22%5BJournal%5D)">A redox-stratified ocean 3.2 billion years ago.</a> Earth Planet. Sci. Lett. 430 (1), 43-53 (2015).</li>
<li>Holland, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oceans+-+Possible+Source+of+Iron+in+Iron-Formations%5BTitle%5D)+AND+%22Econ.+Geol%22%5BJournal%5D)">Oceans - Possible Source of Iron in Iron-Formations.</a> Econ. Geol. 68 (7), 1169-1172 (1973).</li>
<li>Holland, H. D., Lazar, B., Mccaffrey, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evolution+of+the+Atmosphere+and+Oceans%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Evolution of the Atmosphere and Oceans.</a> Nature. 320 (6057), 27-33 (1986).</li>
<li>Klein, C., Beukes, N. J. Time distribution, stratigraphy, and sedimentologic setting, and geochemistry of Precambrian iron-formations. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKlein%2C+C+%22The+Proterozoic+Biosphere%22">The Proterozoic Biosphere</a>. Schopf, J. W., Klein, C. , Cambridge University Press. 139-146 (1992).</li>
<li>Poulton, S. W., Canfield, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ferruginous+Conditions%3A+A+Dominant+Feature+of+the+Ocean+through+Earth%27s+History%5BTitle%5D)+AND+%22Elements%22%5BJournal%5D)">Ferruginous Conditions: A Dominant Feature of the Ocean through Earth's History.</a> Elements. 7 (2), 107-112 (2011).</li>
<li>Busigny, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Iron+isotopes+in+an+Archean+ocean+analogue%5BTitle%5D)+AND+%22Geochim.+Cosmochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Iron isotopes in an Archean ocean analogue.</a> Geochim. Cosmochim. Acta. 133, 443-462 (2014).</li>
<li>Crowe, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoferrotrophs+thrive+in+an+Archean+Ocean+analogue%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Photoferrotrophs thrive in an Archean Ocean analogue.</a> PNAS. 105 (41), 15938-15943 (2008).</li>
<li>Jones, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biogeochemistry+of+manganese+in+ferruginous+Lake+Matano%2C+Indonesia%5BTitle%5D)+AND+%22Biogeosciences%22%5BJournal%5D)">Biogeochemistry of manganese in ferruginous Lake Matano, Indonesia.</a> Biogeosciences. 8 (10), 2977-2991 (2011).</li>
<li>Lliros, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pelagic+photoferrotrophy+and+iron+cycling+in+a+modern+ferruginous+basin%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Pelagic photoferrotrophy and iron cycling in a modern ferruginous basin.</a> Sci. Rep. 5 (13803), (2015).</li>
<li>Koeksoy, E., Halama, M., Konhauser, K. O., Kappler, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+modern+ferruginous+habitats+to+interpret+Precambrian+banded+iron+formation+deposition%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Astrobiol%22%5BJournal%5D)">Using modern ferruginous habitats to interpret Precambrian banded iron formation deposition.</a> Int. J. Astrobiol. , 1-13 (2015).</li>
<li>Canfield, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+model+for+Proterozoic+ocean+chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A new model for Proterozoic ocean chemistry.</a> Nature. 396 (6710), 450-453 (1998).</li>
<li>Wu, W. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+the+physiology+and+cell-mineral+interactions+of+the+marine+anoxygenic+phototrophic+Fe%28II%29+oxidizer+Rhodovulum+iodosum+-+implications+for+Precambrian+Fe%28II%29+oxidation%5BTitle%5D)+AND+%22FEMS+Microbiol.+Ecol%22%5BJournal%5D)">Characterization of the physiology and cell-mineral interactions of the marine anoxygenic phototrophic Fe(II) oxidizer Rhodovulum iodosum - implications for Precambrian Fe(II) oxidation.</a> FEMS Microbiol. Ecol. 88 (3), 503-515 (2014).</li>
<li>Hungate, R. E., Macy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Roll-Tube+Method+for+Cultivation+of+Strict+Anaerobes%5BTitle%5D)+AND+%22Bull.+Ecol.+Res.+Comm%22%5BJournal%5D)">The Roll-Tube Method for Cultivation of Strict Anaerobes.</a> Bull. Ecol. Res. Comm. 17 (1), 123-126 (1973).</li>
<li>Van Baalen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+on+marine+blue-green+algae%5BTitle%5D)+AND+%22Bot.+mar%22%5BJournal%5D)">Studies on marine blue-green algae.</a> Bot. mar. 4 (1-2), 129-139 (1962).</li>
<li>Sakamoto, T., Bryant, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+at+low+temperature+causes+nitrogen+limitation+in+the+cyanobacterium+Synechococcus+sp.+PCC+7002%5BTitle%5D)+AND+%22Arch.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Growth at low temperature causes nitrogen limitation in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002.</a> Arch. Microbiol. 169 (1), 10-19 (1998).</li>
<li>Swanner, E. D., Mloszewska, A. M., Cirpka, O. A., Schoenberg, R., Konhauser, K. O., Kappler, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modulation+of+oxygen+production+in+Archaean+oceans+by+episodes+of+Fe%28II%29+toxicity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Geosci%22%5BJournal%5D)">Modulation of oxygen production in Archaean oceans by episodes of Fe(II) toxicity.</a> Nature Geosci. 8 (2), 126-130 (2015).</li>
<li>Stookey, L. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ferrozine+-+a+New+Spectrophotometric+Reagent+for+Iron%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Ferrozine - a New Spectrophotometric Reagent for Iron.</a> Anal. Chem. 42 (7), 779-784 (1970).</li>
<li>Fitch, M. W., Koros, W. J., Nolen, R. L., Carnes, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Permeation+of+Several+Gases+through+Elastomers%2C+with+Emphasis+on+the+Deuterium+Hydrogen+Pair%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Polym.+Sci%22%5BJournal%5D)">Permeation of Several Gases through Elastomers, with Emphasis on the Deuterium Hydrogen Pair.</a> J. Appl. Polym. Sci. 47 (6), 1033-1046 (1993).</li>
<li>Smith, A. J. B., Beukes, N. J., Gutzmer, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Composition+and+Depositional+Environments+of+Mesoarchean+Iron+Formations+of+the+West+Rand+Group+of+the+Witwatersrand+Supergroup%2C+South+Africa%5BTitle%5D)+AND+%22Econ.+Geol%22%5BJournal%5D)">The Composition and Depositional Environments of Mesoarchean Iron Formations of the West Rand Group of the Witwatersrand Supergroup, South Africa.</a> Econ. Geol. 108 (1), 111-134 (2013).</li>
<li>Johnson, C. M., Beard, B. L., Klein, C., Beukes, N. J., Roden, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Iron+isotopes+constrain+biologic+and+abiologic+processes+in+banded+iron+formation+genesis%5BTitle%5D)+AND+%22Geochim.+Cosmochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Iron isotopes constrain biologic and abiologic processes in banded iron formation genesis.</a> Geochim. Cosmochim. Acta. 72 (1), 151-169 (2008).</li>
<li>Krepski, S. T., Emerson, D., Hredzak-Showalter, P. L., Luther, G. W., Chan, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphology+of+biogenic+iron+oxides+records+microbial+physiology+and+environmental+conditions%3A+toward+interpreting+iron+microfossils%5BTitle%5D)+AND+%22Geobiology%22%5BJournal%5D)">Morphology of biogenic iron oxides records microbial physiology and environmental conditions: toward interpreting iron microfossils.</a> Geobiology. 11 (5), 457-471 (2013).</li>
<li>Posth, N. R., Konhauser, K. O., Kappler, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbiological+processes+in+banded+iron+formation+deposition%5BTitle%5D)+AND+%22Sedimentology%22%5BJournal%5D)">Microbiological processes in banded iron formation deposition.</a> Sedimentology. 60 (7), 1733-1754 (2013).</li>
<li>Maliva, R. G., Knoll, A. H., Simonson, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Secular+change+in+the+Precambrian+silica+cycle%3A+Insights+from+chert+petrology%5BTitle%5D)+AND+%22Geol.+Soc.+Am.+Bull%22%5BJournal%5D)">Secular change in the Precambrian silica cycle: Insights from chert petrology.</a> Geol. Soc. Am. Bull. 117 (7-8), 835-845 (2005).</li>
<li>Kappler, A., Pasquero, C., Konhauser, K. O., Newman, D. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deposition+of+banded+iron+formations+by+anoxygenic+phototrophic+Fe%28II%29-oxidizing+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Geology%22%5BJournal%5D)">Deposition of banded iron formations by anoxygenic phototrophic Fe(II)-oxidizing bacteria.</a> Geology. 33 (11), 865-868 (2005).</li>
<li>Krepski, S. T., Hanson, T. E., Chan, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolation+and+characterization+of+a+novel+biomineral+stalk-forming+iron-oxidizing+bacterium+from+a+circumneutral+groundwater+seep%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Isolation and characterization of a novel biomineral stalk-forming iron-oxidizing bacterium from a circumneutral groundwater seep.</a> Environ. Microbiol. 14 (7), 1671-1680 (2012).</li>
<li>Czaja, A. D., Johnson, C. M., Beard, B. L., Roden, E. E., Li, W. Q., Moorbath, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+Fe+oxidation+controlled+deposition+of+banded+iron+formation+in+the+ca.+3770+Ma+Isua+Supracrustal+Belt+%28West+Greenland%29%5BTitle%5D)+AND+%22Earth.+Planet.+Sci.+Lett%22%5BJournal%5D)">Biological Fe oxidation controlled deposition of banded iron formation in the ca. 3770 Ma Isua Supracrustal Belt (West Greenland).</a> Earth. Planet. Sci. Lett. 363 (1), 192-203 (2013).</li>
<li>Melton, E. D., Schmidt, C., Kappler, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+iron%28II%29+oxidation+in+littoral+freshwater+lake+sediment%3A+the+potential+for+competition+between+phototrophic+vs.+nitrate-reducing+iron%28II%29-oxidizers%5BTitle%5D)+AND+%22Front.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Microbial iron(II) oxidation in littoral freshwater lake sediment: the potential for competition between phototrophic vs. nitrate-reducing iron(II)-oxidizers.</a> Front. Microbiol. 3 (197), 1-12 (2012).</li>
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作者无任何利益冲突需要披露。

前寒武纪海洋中的微生物群落受到其自身活动及当时地球化学条件的调控，或因这些因素而发生改变。在解释条带状铁建造（BIF）成因时，研究人员通常依据BIF的沉积学特征或地球化学特征来推断微生物的存在或活动。 例如，Smith 等23 和约翰逊 等24在具有与古代环境地球化学相似的现代环境中，对现代生物体进行研究也是一种有价值的方法， 例如， Crowe 等11 和 Koeksoy 等14第三种方法是利用经过设计的实验室系统中的生物体，模拟前寒武纪海洋中发生的过程， 例如， Krepski 等25这种方法可用于检验特定假设，并去除现代系统中可能存在但并非前寒武纪海洋组成部分的化学或生物因素。例如， 水生植物和动物）。因此，我们提出一种动态实验室上升流系统的概念验证方法，可在受控的实验室条件下评估（蓝）细菌的活性及其对形成地球化学剖面的影响。该柱状系统可用于检验关于参与条带状铁建...

前寒武纪（46亿至5.41亿年前）大气中光合作用产生的氧气（O2）逐渐积累，这一过程可能在约24亿年前发生过被称为&#34;大氧化事件&#34;（GOE）的阶段性跃变，并在新元古代（10亿至5.41亿年前）再次发生，当时大气O2浓度接近现代水平1。蓝细菌是最早能够进行产氧光合作用的生物在进化上的遗留后代2。地球化学证据和模型研究支持浅海沿岸环境曾孕育着活跃的蓝细菌群落，或具有产氧光合作用能力的生物（即产氧光能自养生物），在主要为缺氧状态的大气下方，于表层海洋中形成局部的富氧绿洲3-5。
在整个前寒武纪时期，条带状铁建造（BIFs）从海水中沉积形成，表明亚铁离子（Fe(II)）至少在局部区域是当时海水中重要的地球化学组分。一些规模最大的BIFs属于深海沉积物，形成于大陆架和大陆坡以外的区域。从质量平衡的角度来看，沉积的铁含量无法主要由陆源（即风化作用）提供。因此，大部分铁必须来源于对镁铁质或超镁铁质洋壳的热液蚀变6。对沿海环境以外区域铁沉积速率的估算结果与通过上升流将Fe(II)输送至表层海洋的通量相一致7。为了使铁能够在上升流中被输送，其必须以还原态、可移动的形式存在——即Fe(II)。BIF中保存的铁的平均氧化态为2.48，通常认为BIF中保存的铁是以Fe(III)形式沉积下来的，这是上升流中的Fe(II)被氧化（可能由氧气介导）后形成的。因此，研究大陆坡环境中可能的Fe(II)氧化机制对于理解BIF的形成过程至关重要。此外，对海洋沉积物更精确的地球化学表征表明，在整个前寒武纪时期，富铁缺氧条件（即水体缺氧且含有Fe(II)）在海洋中普遍存在，并不仅限于BIF沉积发生的特定时间和地点9。因此，在地球历史中至少长达二十亿年的时间里，浅海中Fe(II)与O2之间的氧化还原界面很可能是常见的现象。
许多研究利用现代环境中作为前寒武纪海洋不同特征的化学和/或生物类似物的地点。一个很好的例子是富铁湖泊，其中亚铁离子（Fe(II)）在阳光照射的表层水中保持稳定并大量存在，同时已检测到光合作用活性（包括由蓝细菌介导的光合作用）10-13。这些研究的结果有助于深入了解从含氧到缺氧/富铁化学跃层的地球化学和微生物特征。然而，这些地点通常存在明显的物理分层，垂直混合较弱14，不同于上升流系统中出现的化学界面，而后者被认为在前寒武纪时期支持了最多的氧气生成4。
在现代地球上，尚无合适的天然类似物可用于研究在无氧大气下、富Fe(II)上升流系统及阳光照射的表层海水柱中海洋氧化态绿洲的形成过程。因此，需要建立一种能够模拟富铁上升流区域并支持蓝细菌和光合作用铁氧化微生物生长的实验室系统。深入理解并识别微生物过程及其与代表前寒武纪海水的上升流水体之间的相互作用，有助于增进认识，并可补充从岩石记录中获得的信息，从而全面理解早期地球独特的生物地球化学过程。
为此目的，设计了一个实验室规模的柱状反应器，将富含 Fe(II) 的海水培养基（中性 pH）从柱底部泵入，并从顶部泵出。在顶部提供光照，以形成约 4 cm 宽的 &#34;透光层&#34; 支持了蓝细菌在顶部3厘米范围内的生长。自然环境通常由物理化学梯度（如盐度或温度）形成分层并保持稳定。为了在实验室尺度上稳定水体柱，柱状容器中填充了多孔玻璃珠基质，有助于维持实验过程中形成的地球化学格局。持续的氮2/CO2 向柱顶空间通入气体流以吹洗，从而维持一个缺氧环境，模拟大氧化事件（GOE）前的海洋状态15在建立稳定的Fe(II)通量后，将蓝细菌接种至整个柱体中，并通过取样口采集样品进行细胞计数以监测其生长情况。同时监测氧气水平。 原位 通过将氧敏感光学传感器薄膜放置在柱体内部壁面上，并从柱体外部使用光纤进行测量。通过从按深度分布的水平取样口取出样品，并采用菲罗嗪（Ferrozine）法分析，以定量水相中铁的形态。非生物对照实验及其结果验证了该方法的概念可行性——即在与大气隔离的条件下，构建一个实验室尺度的古代水柱模拟系统是可行的。实验中，蓝细菌生长并产氧，且Fe(II)与氧气之间的反应过程可被清晰分辨。本文介绍了此类反应柱的设计、制备、组装、运行及取样方法，并展示了接种海洋蓝细菌后连续运行84小时的实验结果。 集胞藻属 sp. PCC 7002

<table><tbody><tr><td>维德尔烧瓶（5 L）</td><td>Ochs</td><td>110015</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>玻璃瓶（5 L）</td><td>Rotilabo</td><td>Y682.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>玻璃移液管（5 ml）</td><td></td><td>51714</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>0.22 &amp;micro;m Steritop 滤器单元（0.22&amp;nbsp;&amp;micro;m 聚醚砜膜）</td><td>Millipore</td><td>X337.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>铝箔</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>无菌鲁尔锁紧玻璃注射器，内填棉花</td><td></td><td>C681.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧不锈钢针头（150 mm，1.0&amp;nbsp;mm 内径）</td><td></td><td>201015</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Sigma</td><td>433209</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>MgSO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>208094</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>CaCl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>C4901</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>NH&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;Cl</td><td>Sigma</td><td>A9434</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>KH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>P5655</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>KBr</td><td>Sigma</td><td>P3691</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>KCl</td><td>Sigma</td><td>P9541</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>玻璃量筒</td><td></td><td>Y310.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>玻璃棉</td><td></td><td>7377.2</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>玻璃珠（&amp;oslash; 0.55 - 0.7&amp;nbsp;mm）</td><td></td><td>11079105</td><td>biospec.com</td></tr><tr><td>丁基橡胶塞（&amp;oslash; 1.2 cm）</td><td></td><td>271024</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>玻璃培养皿（&amp;oslash; 8.0&amp;nbsp;cm）</td><td></td><td>T939.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>聚合物胶水</td><td></td><td>OTTOSEAL S68</td><td>adchem.de</td></tr><tr><td>光学氧传感器膜片（用于氧气分析，见下文）</td><td></td><td>&amp;ndash; 按需提供 &amp;ndash;</td><td>presens.de</td></tr><tr><td>橡胶管（35 mm，7&amp;nbsp;mm 内径）</td><td></td><td>770350</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧管接头（3.0 mm，鲁尔锁公头 = LLM）</td><td></td><td>P343.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧管接头（3.0 mm，鲁尔锁母头 = LLF）</td><td></td><td>P335.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>橡胶管（25 mm，0.72 mm 内径）</td><td></td><td>2600185</td><td>newageindustries.com</td></tr><tr><td>橡胶管（50 mm，7&amp;nbsp;mm 内径）</td><td></td><td>770350</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧不锈钢针头（150 mm，1.0 mm 内径）</td><td></td><td>201015</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧玻璃注射器（10 ml）</td><td></td><td>C680.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>松散棉花&amp;nbsp;</td><td></td><td>&amp;ndash;</td><td></td></tr><tr><td>丁基橡胶塞（&amp;oslash; 1.75 cm）</td><td></td><td>271050</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>不锈钢针头（40 mm，1.0&amp;nbsp;mm 内径）</td><td>Sterican</td><td>4665120</td><td>bbraun.de</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧不锈钢针头（150 mm，1.5 mm 内径）</td><td></td><td>201520</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>位置：C.7 处的鲁尔锁母头连接件部分</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>聚合物胶水</td><td></td><td>OTTOSEAL S68</td><td>adchem.de</td></tr><tr><td>不锈钢针头（120 mm，0.7 mm 内径）</td><td>Sterican</td><td>4665643</td><td>bbraun.de</td></tr><tr><td>橡胶管（40 mm，0.74 mm 内径）</td><td></td><td>2600185</td><td>newageindustries.com</td></tr><tr><td>热缩管（35&amp;nbsp;mm，收缩后内径 3 mm）</td><td></td><td>541458 - 62</td><td>conrad.de</td></tr><tr><td>管夹</td><td></td><td>STHC-C-500-4</td><td>tekproducts.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧管接头（1.0 mm，LLF）</td><td></td><td>P334.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧塑料帽（LLM）</td><td></td><td>CT69.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>玻璃瓶（5 L）</td><td>Rotilabo</td><td>Y682.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>丁基橡胶塞（适用于 GL45）</td><td></td><td>444704</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>不锈钢毛细管（300 mm，0.74 mm 内径）</td><td></td><td>56736</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>不锈钢毛细管（50 mm，0.74 mm 内径）</td><td></td><td>56737</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>热缩管（35 mm，收缩后内径 3&amp;nbsp;mm）</td><td></td><td>541458 - 62</td><td>conrad.de</td></tr><tr><td>橡胶管（100 mm，0.74 mm 内径）</td><td></td><td>2600185</td><td>newageindustries.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧管接头（1.0 mm，LLF）</td><td></td><td>P334.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧玻璃注射器（10 ml）</td><td></td><td>C680.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>松散棉花&amp;nbsp;</td><td></td><td>&amp;ndash;</td><td></td></tr><tr><td>丁基橡胶塞（&amp;oslash; 1.75 cm）</td><td></td><td>271050</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>不锈钢针头（40 mm，0.8&amp;nbsp;mm 内径）</td><td>Sterican</td><td>4657519</td><td>bbraun.de</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧玻璃注射器（5 ml）</td><td></td><td>C679.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>丁基橡胶塞（&amp;oslash; 1.75 mm）</td><td></td><td>271050</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>橡胶管（40 mm，0.74 mm 内径）</td><td></td><td>2600185</td><td>newageindustries.com</td></tr><tr><td>玻璃瓶（2 L）</td><td>Rotilabo</td><td>X716.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>丁基橡胶塞（适用于 GL45）</td><td></td><td>444704</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>不锈钢毛细管（50 mm，0.74 mm 内径）</td><td></td><td>56736</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>橡胶管（30 mm × 0.74 mm 内径）</td><td></td><td>2600185</td><td>newageindustries.com</td></tr><tr><td>橡胶管（100 mm × 0.74 mm 内径）</td><td></td><td>2600185</td><td>newageindustries.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧管接头（1.0 mm，LLF）</td><td></td><td>P334.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧三通接头（LLF，2×LLM）</td><td></td><td>6134</td><td>cadenceinc.com</td></tr><tr><td>光源</td><td>Samsung</td><td>SI-P8V151DB1US</td><td>samsung.com</td></tr><tr><td>蠕动泵</td><td>Ismatec</td><td>EW-78017-35</td><td>coleparmer.com</td></tr><tr><td>泵用管（0.89&amp;nbsp;mm 内径）</td><td></td><td>EW-97628-26</td><td>coleparmer.com</td></tr><tr><td>不锈钢毛细管（200 mm，0.74 mm 内径）</td><td></td><td>56736</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>不锈钢毛细管（400 mm，0.74 mm 内径）</td><td></td><td>56737</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>Supel-Inert 膜袋（Tedlar - PFC）气体采样袋（10 L）</td><td></td><td>30240-U</td><td>sigmaaldrich.com</td></tr><tr><td>橡胶管（30 mm，6&amp;nbsp;mm 内径）</td><td></td><td>770300</td><td>labor-ochs.de</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧管接头（3.0 mm，LLM）</td><td></td><td>P343.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>鲁尔锁紧管接头（3.0 mm，LLF）</td><td></td><td>P335.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>气密注射器（20&amp;nbsp;ml）</td><td></td><td>C681.1</td><td>carlroth.com</td></tr><tr><td>本生灯</td><td></td><td>&amp;ndash;</td><td></td></tr><tr><td>光纤氧测定仪，用于氧气定量</td><td>Presens</td><td>TR-FB-10-01</td><td>presens.de</td></tr><tr><td>真空泵</td><td></td><td>&amp;ndash;</td><td></td></tr><tr><td>用于氧光学传感器的硅胶</td><td>Presens</td><td>PS1</td><td>presens.de</td></tr></tbody></table>

模拟富铁(ii)前寒武纪海洋上升流系统以探究光合细菌的生长

Laboratory Simulation of an Iron(II)-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

一种关于某些前寒武纪条带状铁建造（BIF）沉积的传统观点认为，来自前寒武纪海洋中热液源的二价铁离子 [Fe(II)] 上涌后，被蓝细菌产生的分子氧 [O2] 氧化。在大约24亿年前的大氧化事件（GOE）之前沉积的最古老BIF，可能是在无氧条件下由不产氧光合铁氧化微生物直接氧化Fe(II)而形成的。为了检验不同生物条件下所形成的地球化学和矿物学模式，我们设计了一个长40 cm的垂直贯通式反应柱，用于在实验室尺度上模拟代表古代海洋环境的无氧富Fe(II)海水上涌系统。该圆柱体填充了多孔玻璃珠基质，以稳定地球化学梯度，并可在整个水柱中采集液体样品用于铁含量测定。通过外部的光学传感器非侵入式检测溶解氧。在生物实验中，Fe(II)从底部向上涌流，顶部提供明确的光照梯度，且水体中存在蓝细菌，实验结果清晰地显示出Fe(III)矿物沉淀物的形成以及Fe(II)与O2之间化学跃迁层（chemocline）的发展。该反应柱系统使我们能够在模拟的前寒武纪海洋条件下培养蓝细菌（未来还可培养光合铁氧化微生物），从而检验BIF形成的各类假说。此外，我们推测该反应柱设计还可用于模拟多种化学与物理环境——包括浅海或湖泊沉积环境。

对照实验
非生物对照实验（10天）始终显示低氧浓度（O₂）2 &lt;0.15 mg/L），在整个上升水体中Fe(II)剖面无显著波动。培养基储液器中沉淀物（可能为Fe(III)(氧氢)氧化物）的形成，以及10天内总Fe(II)浓度从500 µM轻微下降至440 µM，表明通过橡胶连接处存在一定程度的氧气扩散例如, E.6；gp.1 在 图 1)22. 在本实验中，可合理达到的最低氧浓度为≤0.15 mg/L，该范围适用于对氧气进行敏感定量检测，且高于0.03 mg/L的检测限。在本文其余部分，低于0.15 mg/L的氧气值均称为“无氧”（anoxic）。
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我们在实验室规模的垂直流通柱中模拟了一个前寒武纪富铁海洋上升流系统。目的是了解O₂、H₂S和Fe²⁺的地球化学剖面如何在类似前寒武纪海洋的条件下相互作用，并影响微生物群落的结构与功能。2 以及随着蓝细菌产生氧气，Fe(II) 发生演变2结果表明，由于光合作用产生的氧气氧化亚铁离子（Fe(II)），形成了化学跃层。2.

模拟富铁(II)前寒武纪海洋上升流系统以探究光合细菌的生长

一种关于某些前寒武纪条带状铁建造（BIF）沉积的传统观点认为，上升的亚铁离子[Fe(II)]……

本实验方法的总体目标是模拟富铁上升流系统，并在蓝细菌存在并进行光合作用产氧的情况下，检测水体中氧气和溶解态铁的地球化学剖面。这一新开发的方法有助于回答地球历史领域中的关键问题，例如大气的氧化过程以及条带状铁建造的沉积机制。该技术的主要优势在于，可以在实验室尺度上模拟前寒武纪海洋中可能存在的地球化学条件，并利用现代分析手段对其进行研究和观测。尽管该方法可为早期地球研究提供见解，也可应用于其他现代环境，例如用于沉积物中微生物地球化学和化学物质波动的研究。通常，初次接触该方法的研究者可能会遇到困难，因为实验设置并非易事，但视频将详细介绍方案中最为关键的步骤。细菌培养、实验装置的初步组装步骤以及材料灭菌的注意事项均在文字方案中有详细描述。请注意，集胞藻7002的细胞溶液在后续实验中必须保持无氧状态。因此，需通过装有0.22微米滤器的注射器向溶液中通入无氧氮气和二氧化碳混合气体以去除溶解氧，同时在瓶塞上插入第二根针头以释放过压。为抑制光合作用及氧气的产生，需用遮光材料覆盖培养瓶。气泡持续五分钟后，冲洗顶空部分。组装色谱柱时，将其放置在平坦的表面上，并使用实验室支架和夹子固定。务必在无菌条件下操作，并小心移除顶部开口处的铝箔。然后用灭菌的玻璃珠填满层析柱。接着，准备一个表面皿以紧密封住柱口。在表面皿内侧与柱口接触的部位涂抹胶水。然后轻轻按压至柱子顶端，静置至少六小时，随后进行连接部件的操作。首先，将顶空气体交换面板连接到顶空排气口。然后将合适的丁基橡胶塞插入装有棉花的玻璃注射器中。接着，将鲁尔锁式玻璃注射器连接到相应的不锈钢针头上。然后使用另一根鲁尔锁不锈钢针头将缺氧气体管路连接至顶部空间气体交换面板。完成更多连接后，务必将培养基分配面板连接至培养基瓶的丁基橡胶塞。用缺氧气体在低压条件下冲洗柱灌注系统和毛细管系统。通过中型瓶瓶盖的毛细管、三通连接器和取样口让气体逸出。向灌注液中通入气体至少 20 分钟。将塞子连接至中型瓶时，首先使用软管夹夹闭相应管道上的无氧气体流。然后轻轻将丁基橡胶塞从培养基瓶上取下。接着，将装有无菌棉的无菌弯针注射器插入培养基瓶的顶空部分，通入50毫巴的无氧气体，并用无氧气体冲洗顶空。随后迅速取下橡胶塞，并换上预先准备好的带有毛细管的橡胶塞。此操作必须迅速进行，并严格注意无菌条件，以避免引入氧气和细菌。接下来，取下长金属针头以关闭瓶盖。然后将玻璃注射器的长金属针头更换为一次性针头，并向橡胶塞中注入无氧气体，以置换培养基瓶顶空中的空气。至少进行四分钟。然后关闭气体管路，并将进样针从塞子中拔出。残余的气体过压将通过玻璃注射器逸出。操作时，将注射器连接至装有无氧气体的气体包，同时对气体包施加轻微压力。当培养基被抽出时，气体包会补偿瓶内减少的体积。接下来，将一个已预先通气的10升空气体包连接至三通接头的自由端口，该三通接头连接于排液瓶上。确保气体包的阀门处于关闭状态。随后将无氧气体的压力降低至0.1毫巴以下，以维持排气针头处气体的稳定流出。然后启动泵，并松开软管上的夹子以获取培养基。现在打开空置气袋的阀门并启动泵。随着培养基注入排液瓶，气袋将收集从瓶中排出的空气。观察培养基分配面板逐渐充满培养基，并在填充过程中通过将面板倒置来排出其中残留的气体。气体从与泵相连的毛细管中释放。将泵调节至每天0.45升，并监测培养基填充的柱体。最后，安装光源。将其置于柱子上端上方两厘米处。然后用深色胶带或铝箔覆盖柱子的上部十厘米。最后用深色织物将整个装置完全覆盖。接种时，准备六支带有足够长针头的注射器，以能够到达柱体中心。首先对六个主要取样口的丁基橡胶塞外表面进行灭菌处理，使用80%乙醇和火焰灭菌法。然后用无氧气体冲洗注射器。接着吸取1毫升无氧细胞溶液，通过六个取样口的丁基橡胶塞将溶液注入柱子中心。必要时，可使用无菌镊子固定针头以进行注射。每隔 24 小时，从柱子中取样一次。从顶部端口开始，依次向下。首先，用无氧气体冲洗注射器。然后用无氧气体充满。接着，迅速取下塑料帽，将注射器几乎完全插入管路连接头。随后排出注射器内的气体，并将注射器牢固地连接至连接头。现在取下夹子，从柱子中取出一毫升样品。在拔出注射器前重新夹上夹子。然后用帽盖紧固连接头。现在沿柱体向下，在下一个端口重复此过程。为期十天的对照实验（未接种细菌）显示，在整个上升水柱中，氧气浓度持续较低，且溶解性铁含量无明显波动。在第五天时，最低氧气浓度低于15毫克/升，基本处于无氧状态。在第零天接种之前，未观察到任何沉淀物，表明系统中不存在可将可溶性铁氧化为铁沉淀物的氧气。在整个上升水柱中，可溶性铁的浓度保持恒定。接种蓝细菌84小时后，水柱顶部两厘米处出现绿色，表明蓝细菌已开始生长。在负三厘米处出现的橙色条带表明，由于蓝细菌产氧，铁正在发生沉淀。接种前初始氧气浓度基本为零，而在培养84小时后，上层柱体的氧气浓度显著上升。相反，上层深度可溶性铁的含量也相应下降。观看本视频后，您应能充分理解如何搭建并开展该实验。液体样品的采集可使您既能够量化地球化学参数，又能进行细胞分析。一旦掌握，该实验可在一天内完成搭建。正确操作后，在数周时间内可以监测水柱中的变化。按照本实验步骤，还可采用其他替代装置来探究沉积物体内隐蔽性减少过程及微生物分布的相关问题。

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来源：Villela, H. D. M.，等．用于共生体研究与保护的生物修复与益生菌开发中的微生物菌株筛选．J. Vis. Exp.

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