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【前沿报道】Nature Communications:表生条件下真菌对金氧化还原作用的证据
2019-08-23 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  普遍認爲,金是自然界中最不活潑的金屬元素。其實,金的活動性與其存在形式密切相關。金可以在地表各種介質中(例如富鹽水體,土壤鐵結核,以及地表鈣沈積)以固體金(bulk gold)、納米金以及金有機複合物等形式廣泛存在,固體金的化學反應活性低,納米金及金的各種複合物卻展現出突出的催化性能(Eustis and El-Sayed2006)。 

  近十幾年來,研究發現微生物(主要是細菌與古菌)有可能參與了金的地球化學循環(Southam et al., 2009),它們通過分泌氰化物、硫代化合物以及有機酸等溶解含金礦物。Reith et al.2006在細菌形成的菌膜上發現了次生金顆粒,這些顆粒被認爲是由細菌的還原與富集作用形成。細菌通過還原作用還降低了離子金的生物毒性(Reith et al., 2009)。作爲地球表面生境中主要的降解者,真菌在有機質分解及礦物風化中具有重要的作用,參與地表多種元素的地球化學循環。在三種可能影響了金從二級沈積礦體到地表的轉化與遷移的機制(毛細管效應、氣體負載及生物擾動)(Anand et al., 2016)中,真菌亦有可能參與了這些過程。然而除了細菌與古菌,人們對真菌與金是否有相互作用所知甚少。 

  澳大利亞科學與工業研究組織礦産資源中心(CSIRO Mineral Resources)呼慶博士(Tsing Bohu)研究組,近日在Nature Communications上發表了金與真菌相互作用的最新成果,發現金以納米顆粒形式富集在真菌菌絲的表面(圖1)並首次提出在地表條件下真菌可以氧化並溶解環境中的金。他們利用微宇宙試驗比較了富金地區與對照地區土壤中真菌群落對金氧化的潛勢,表明只有富金地區的真菌群落表現出明顯的金氧化能力,顯示金有可能對環境微生物施予了進化壓力或具有選擇性優勢。通過熱力學模型解析,超氧化物被認爲是真菌氧化溶解金的主要電子受體。這與真菌通過活性氧氧化其他過渡金屬元素例如錳的機制也許是相似的(Hansel et al., 2012)。他們隨後從富金地區的土壤中分離純化出一株具有金氧化能力的真菌菌株Fusarium oxysporum TA-pink1。通過X射線光電子能譜以及電感耦合等離子體質譜,發現金在真菌的作用下可以發生遷移,推測一種富酮的配體參與了金的氧化溶解。 

1  Fusarium oxysporum TA-pink1與金微粒的掃描電鏡照片(呼慶未發表資料) 

  基于以上發現與分析結果,該研究組提出了真菌氧化金的初步模型:真菌分泌超氧化物氧化溶解金,並通過一種富酮的分子與金離子形成複合體,該複合體隨後被環境中的有機質還原爲金納米顆粒並沈積到真菌菌絲的表面 (圖2)。令人驚訝的是, 通過環境宏基因組測序與生物信息學分析, 他們發現這種金氧化真菌在富金地區土壤的真菌群落中具有重要作用,是真菌群體網絡的中心 (圖3)。這一現象提示金氧化能力也許賦予了這種真菌某種生理優勢。進一步的菌絲延伸實驗證明,金確實可以幫助Fusarium oxysporum TA-pink1縮短利用非偏好碳源的調適期,從而使得金氧化真菌具有環境生存優勢。 

2  真菌富集金的氧化還原作用模型Bohu et al., 2019

3   真菌網絡。a-c.富金地區;d-f.對照地區(Bohu et al., 2019

  該研究結果的重要意義在于:真菌主導地表礦物生物風化並有很強大的菌絲擴展與生長的能力,該現象有可能對地球淺表層金的遷移與分布,以及自然界中金納米顆粒的形成給出地質真菌學(Geomycology)的解釋。研究成果引起了多個領域科學家的關注。澳大利亞莫納什大學的地質化學家Joel Brugger認爲這項研究提出了一個關鍵的機制解釋了金從地下高溫500 攝氏度)深部富集到形成次生礦床再擴散到地表過程中生物擾動的重要作用。瑞士Neuchatel大學的微生物學家Saskia Bindschedler認爲這項研究綜合利用地質學、化學以及生物學提出了一個全新的金生物地球化學循環途徑。關于真菌影響金以及其他金屬元素遷移與富集的研究,在未來的工礦業界也具有潛在的應用價值。 

  【致謝:感謝澳大利亞科學與工業組織礦産資源中心 (CSIRO Mineral Resources, Perth, Western Australia) 呼慶博士對本文的完善。】 

    

  主要參考文獻 

  Anand R R, Aspandiar M F, Noble R R P. A review of metal transfer mechanisms through transported cover with emphasis on the vadose zone within the Australian regolith[J]. Ore Geology Reviews, 2016, 73: 394-416.原文鏈接 

  Bohu T, Anand R, Noble R, et al. Evidence for fungi and gold redox interaction under Earth surface conditions[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 2290.原文鏈接 

  Eustis S, El-Sayed M A. Why gold nanoparticles are more precious than pretty gold: noble metal surface plasmon resonance and its enhancement of the radiative and nonradiative properties of nanocrystals of different shapes[J]. Chemical Society Reviews, 2006, 35(3): 209-217.原文鏈接 

  Hansel C M, Zeiner C A, Santelli C M, et al. Mn (II) oxidation by an ascomycete fungus is linked to superoxide production during asexual reproduction[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(31): 12621-12625.原文鏈接 

  Reith F, Etschmann B, Grosse C, et al. Mechanisms of gold biomineralization in the bacterium Cupriavidus metallidurans[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009, 106(42): 17757-17762.原文鏈接 

  Reith F, Rogers S L, McPhail D C, et al. Biomineralization of gold: biofilms on bacterioform gold[J]. Science, 2006, 313(5784): 233-236.原文鏈接 

  Southam G, Lengke M F, Fairbrother L, et al. The biogeochemistry of gold[J]. Elements, 2009, 5(5): 303-307. 原文鏈接 

  (撰稿:毛亞晶/礦産室)

 
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