从炭疽细菌到趋磁细菌：二氧化硅到底用来做什么？

2001年10月2日清晨，受雇于American Media Inc.的图片编辑Robert Stevens由于高烧不退、神志不清被送进美国佛罗里达州一家医院。10月3日，Stevens被诊断为肺炎。10月4日，医院发表声明，认为Stevens接触了吸入性的炭疽细菌（anthrax）。10月5日，Stevens不幸去世，成为美国2001年炭疽攻击事件中的第一个去世的受害者。

图1 带有炭疽细菌的信件（图源自网络）

炭疽攻击

Anthrax attack

在时任美国总统小布什的指示下，美国联邦调查局（FBI）立即对此事展开了代号名为“Amerithrax”的调查行动。为了溯源，他们首先对信上附着的炭疽细菌进行测序。2001年12月从Stevens身上提取的炭疽细菌的基因在美国基因组研究所被分析，其结果于2002年初在《Science》上发表。2002年5月9日《New Scientists》上发表的一篇文章指出：“DNA分析的数据显示，攻击菌株很可能来自马里兰州德特里克堡美国陆军传染病医学研究所。”因此，FBI把疑犯锁定在了美国的炭疽专家中。

图2 美国联邦调查局发布的悬赏通知（图源自网络）

细菌“武器”？

'Weaponized' bacteria?

在后来的美国电影中在表达细菌邮件事件时，为了让观众直观地感受到细菌攻击的过程，通常我们可以看到：一个人打开邮件，一些粉末飘了起来，随着呼吸进入人体。

这取材自炭疽细菌邮件事件中一个真实的细节：与实验室平常处理的液态炭疽细菌不同，这批邮件中的炭疽孢子粉末是干燥过的，并且可以在空气中四处飘浮。细菌只有能够在空气中形成稳定的气溶胶，才能够在空气中扩散，并被人体吸入。

这些炭疽细菌是怎么气溶胶化的？

美国武装部队病理学研究所（AFIP）在寄给参议员Tomas A. Daschle的病原中发现了二氧化硅。时任美国陆军传染病医学研究院的Peter Jahrling博士在看过AFIP的分析结果后，公开宣称：“这些炭疽病原是被'武器化’了的。”Jahrling博士认为，凶手加入了纳米二氧化硅颗粒将细菌包裹起来，以提高其稳定性、增强其分散性，从而使其以气溶胶的形式稳定漂浮在空中，形成武器。

然而，桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）随后的TEM分析确定了：二氧化硅是细胞形成过程中由炭疽细菌自然形成的。如果是人为添加的二氧化硅，其TEM图像应该像是“洒满了粗糖粒的甜甜圈”。但分析结果显示：二氧化硅是在孢子内壁（exosporium）之内。

面对证据，Jahrling博士撤回了之前的声明，于2008年9月16日告诉《洛杉矶时报》：“我认为我犯了一个诚实的错误。”

图3 Scientist admits mistake on anthrax, Los Angeles Times, Sept. 12, 2008（图源自网络）

美国官方公布的调查结果认定：“此次攻击使用的炭疽细菌不是武器级的。”

疑云密布

Unsolved Problems

2008年中，FBI把怀疑集中到了在德特里克堡政府生物防御实验室中工作的资深微生物学家Bruce Edwards Ivins博士身上。Ivins博士在接到FBI即将对他发起指控的消息后，于7月27日服用大量对乙酰氨基酚自杀。

图4 Bruce Edwards Ivins博士（图源自网络）

2008年8月6日，联邦调查局宣布Ivins博士为此次袭击的唯一嫌疑犯。但是，FBI并没有足够的证据支持这一指控。为了应对公众质疑，FBI决定将该案的证据交给一个独立的科研机构进行审查。

然而，2011年2月，专家小组公布了委员会的审查结果，认为：“仅凭现有的科学证据，不能针对邮件炭疽孢子的来源得出明确结论。”

是谁制造了这场炭疽邮件攻击？

这些粉末状的炭疽细菌是有意制造的吗？

炭疽细菌作为原核生物，为什么会在体内生成二氧化硅？

这些并不是这个事件留下的唯一未解之谜。万万没想到，美国的炭疽邮件攻击事件给地球元素的循环也带来了新的问题。

原核生物与硅的生物矿化

Prokaryotes and Biominalization

Jahrling博士为什么会犯下那个“诚实的错误”呢？

长期以来，硅的生物矿化被认为是许多真核生物的专属特性。炭疽细菌是一种原核生物，最初被认为是无法自发形成二氧化硅的。因此，最初在发现二氧化硅的时候，研究人员自然而然地认为：二氧化硅是人为添加的。

在此之后，更多的原核生物被发现可以生成二氧化硅。2010年，日本广岛大学研究人员证实：枯草芽孢杆菌在其芽孢（内生孢子，一种细菌的休眠体）外壁沉淀形成一层二氧化硅薄膜，可以提高芽孢抗酸腐蚀和紫外辐射的能力。2012年，美国石溪大学研究人员发现：聚球藻属的蓝细菌能从周围水体中摄取和富集大量的硅。

图5

枯草芽孢杆菌（SEM照片，上）

聚球藻属蓝细菌（光学显微镜照片，下）

如果原核生物能够参与硅的生物矿化，这就出现了一个新问题：新元古代硅质海绵出现之前，生物，尤其是微生物是否参与了地球上硅的生物地球化学循环？

硅元素与生物地球化学循环

Silicon and biogeochemical cycling

硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%，仅次于氧（49.4%）。在自然界，硅广泛存在于土壤和岩石中。大陆硅酸盐的风化作用可以移除大气CO₂，将硅和溶解的无机碳迁移至海洋。这被认为是调节二氧化碳水平，控制地球气候的关键机制。

图6 硅元素（Si）是地壳中第二丰富的元素（图片修改自网络）

在真核生物出现前，早期地球上硅质岩被认为主要是化学沉淀引起的。属于真核生物的硅藻、硅质海绵、放射虫等生活在海洋中。它们以海水中的可溶性硅作为营养元素，将其转化成自己的二氧化硅细胞骨架或者躯壳。这些真核生物死亡后，其遗骸埋藏进沉积物中，形成硅质岩。生物矿化大大促进了海水中硅的沉淀，构成了显生宙以来硅循环的重要过程。其中硅藻贡献了约40%的全球海洋初级生产力，对大气CO₂含量有重要调节作用，同时可能造成海水中可溶性硅浓度仅有早期地球的百分之一。

图7 硅藻（电子显微镜下照片）

如果原核生物能够参与硅的生物矿化，地球早期的硅循环过程将需要被重新评估。

趋磁细菌也会合成二氧化硅？

Silica synthesized by magnetotropic bacteria?

2017年，中国科学院地质与地球物理研究所生物地磁学研究团队从陕西西安未央湖采了一些沉积物。这些样品被带回实验室，研究趋磁细菌生物矿化和磁学性质。

趋磁细菌是一类起源于太古代并广泛分布于各种水体环境中的，能在细胞内合成纳米磁性晶体颗粒（也被称为磁小体，化学成分为Fe₃O₄或Fe₃S₄）的原核生物。磁小体可以感知地磁场，使趋磁细菌沿磁力线方向游泳，从而迅速找到最适合生存的微环境。它们在地质记录中形成磁小体化石。

通过跨学科交叉研究，中国科学院地质与地球物理研究所生物地磁学研究团队在近期的研究发现，除了磁铁矿（Fe₃O₄）或胶黄铁矿（Fe₃S₄）的晶体颗粒，不同趋磁细菌类群可以在细胞内合成不同的有机颗粒物和生物矿物。一些特殊种类的趋磁细菌可以在细胞内同时合成其它类型的矿物，如磷酸铁、磷酸钙、碳酸钙，甚至一些富含Ca/Ba的未知矿物。自然环境中的趋磁细菌死亡裂解后，这些复杂多样的有机颗粒物和生物矿物也可以像磁小体一样，被埋藏并保存在沉积物中。是生物矿化、生物地磁学和古地磁学研究的理想对象。

图8 李金华研究员（左）和硕士研究生张衡（右）在陕西西安未央湖采集湖底沉积物样品

研究人员对一类独特的硝化螺旋菌门趋磁球菌WYHC-5进行了详细的分析。这类趋磁球菌能在细胞内合成近百个弯曲的子弹头形的纳米磁小体。磁小体在细胞内被组装成数条松散的链束状结构（图9）。

图9 A. WYHC-5的光学显微镜照片显示细胞内纳米尺寸的磁小体链和亚微米尺寸的球状颗粒物。B. 单个磁铁矿（Fe3O4）磁小体颗粒的高分辨透射电镜图像。C. WYHC-5细胞内的子弹头形磁小体。

研究团队对WYHC-5细胞内颗粒物的结构和成分进行了系统研究。结果发现：除了约占细胞总质量的~0.51%的磁铁矿外，WYHC-5中还有很多汤圆一样的球状颗粒物。其中尺寸较大的颗粒为非晶质的二氧化硅颗粒，约占细胞总质量的~10.9%（图10）。

图10 透射电镜技术分析WYHC-5细胞内颗粒物成分和结构。A. 两个代表性WYHC-5细胞的高角环形暗场扫描透射电镜图像（HAADF-STEM）；B. WYHC-5细胞的局部放大图（HAADF-STEM）；C-D. O和Si元素分布的伪彩图（STEM-EDXS elemental maps）。

为了进一步确认二氧化硅生物矿化在趋磁细菌类群是否存在普遍性，研究团队进一步筛查了17种趋磁细菌，从西安未央湖、天津于桥水库和北京密云水库的样品中发现了另外三株趋磁球菌能在细胞内合成二氧化硅颗粒。

这是首次发现趋磁细菌也可以合成二氧化硅。

趋磁细菌怎么合成二氧化硅？

How does magnetotropic bacteria synthesize silica?

趋磁细菌能不能合成二氧化硅？为了弄清这个问题，研究团队对WYHC-5细胞进行了基因组测序分析，并与其它硅代谢相关生物的基因组开展了生物信息学比较分析。研究团队在WYHC-5基因组中发现了一个潜在的沉硅酶基因（silicatein-1），研究团队推测silicatein-1沉硅酶可能负责WYHC-5细胞中的球状二氧化硅颗粒的形成（图11）。未来，确定原核生物的生物沉硅能力形成的时间，将为确定其是否参与早期地球硅循环提供关键证据。

图11 趋磁球菌WYHC-5细胞沉硅酶的蛋白质分子建模和结构分析

看似无用的功能实际上是细菌的最优生存战略

Seemingly useless but best strategy

微生物是不会浪费能量去做没有必要的事的。任何额外的能量消耗都会导致它们在竞争中处于劣势，从而导致种群的淘汰。因此，首次在炭疽细菌中发现二氧化硅的时候，研究人员普遍都认为这是人为添加，使细菌“武器化”的手段。虽然后来的研究证实：二氧化硅颗粒是炭疽细菌自己合成的。但是目前为止，还没有相关的报道说明炭疽细菌合成二氧化硅的目的是什么。

趋磁细菌WYHC-5在细胞内沉淀非晶质二氧化硅颗粒的生理学意义可能在于：通过增加细胞的重量而调整细胞的浮力，从而有利于WYHC-5在水体中上下穿梭时保持稳定性。另一方面，WYHC-5利用HCO₃^-进行自养生长时，会消耗细胞内大量的H ，从而造成局部环境中pH升高。而二氧化硅矿化过程可以释放H ，从而为细胞的自养生长提供pH缓冲剂的作用。

从生物地球化学的角度来说，趋磁细菌合成二氧化硅的研究为地球早期“地磁场-环境-生命”协同演化研究提供了一个新的视角和模式系统。

作者简介：何雨旸，博士，中国科学院地质与地球物理研究所 特聘副研究员。从事交叉学科研究，工作涵盖地球化学、量子力学、化学反应动力学、流体力学、非线性力学等。

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编辑：何雨旸

校对：刘强

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来源：中科院地质地球所