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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】【关闭

  普遍认为,金是自然界中最不活泼的金属元素。其实,金的活动性与其存在形式密切相关。金可以在地表各种介质中(例如富盐水体,土壤铁结核,以及地表钙沉积)以固体金(bulk gold)、纳米金以及金有机复合物等形式广泛存在,固体金的化学反应活性低,纳米金及金的各种复合物却展现出突出的催化性能(Eustis and El-Sayed2006)。 

  近十几年来,研究发现微生物(主要是细菌与古菌)有可能参与了金的地球化学循环(Southam et al., 2009),它们通过分泌氰化物、硫代化合物以及有机酸等溶解含金矿物。Reith et al.2006在细菌形成的菌膜上发现了次生金颗粒,这些颗粒被认为是由细菌的还原与富集作用形成。细菌通过还原作用还降低了离子金的生物毒性(Reith et al., 2009)。作为地球表面生境中主要的降解者,真菌在有机质分解及矿物风化中具有重要的作用,参与地表多种元素的地球化学循环。在三种可能影响了金从二级沉积矿体到地表的转化与迁移的机制(毛细管效应、气体负载及生物扰动)(Anand et al., 2016)中,真菌亦有可能参与了这些过程。然而除了细菌与古菌,人们对真菌与金是否有相互作用所知甚少。 

  澳大利亚UU快三科学与工业研究组织矿产资源中心(CSIRO Mineral Resources)呼庆博士(Tsing Bohu)研究组,近日在Nature Communications上发表了金与真菌相互作用的,发现金以纳米颗粒形式富集在真菌菌丝的表面(图1)并首次提出在地表条件下真菌可以氧化并溶解环境中的金。他们利用微宇宙试验比较了富金地区与对照地区土壤中真菌群落对金氧化的潜势,表明只有富金地区的真菌群落表现出明显的金氧化能力,显示金有可能对环境微生物施予了进化压力或具有选择性优势。通过热力学模型解析,超氧化物被认为是真菌氧化溶解金的主要电子受体。这与真菌通过活性氧氧化其他过渡金属元素例如锰的机制也许是相似的(Hansel et al., 2012)。他们随后从富金地区的土壤中分离纯化出一株具有金氧化能力的真菌菌株Fusarium oxysporum TA-pink1。通过X射线光电子能谱以及电感耦合等离子体质谱,发现金在真菌的作用下可以发生迁移,推测一种富酮的配体参与了金的氧化溶解。 

1  Fusarium oxysporum TA-pink1与金微粒的扫描电镜照片(呼庆未发表资料) 

  基于以上发现与分析结果,该研究组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,并通过一种富酮的分子与金离子形成复合体,该复合体随后被环境中的有机质还原为金纳米颗粒并沉积到真菌菌丝的表面 (图2)。令人惊讶的是, 通过环境宏基因组测序与生物信息学分析, 他们发现这种金氧化真菌在富金地区土壤的真菌群落中具有重要作用,是真菌群体网络的中心 (图3)。这一现象提示金氧化能力也许赋予了这种真菌某种生理优势。进一步的菌丝延伸实验证明,金确实可以帮助Fusarium oxysporum TA-pink1缩短利用非偏好碳源的调适期,从而使得金氧化真菌具有环境生存优势。 

2  真菌富集金的氧化还原作用模型Bohu et al., 2019

3   真菌网络。a-c.富金地区;d-f.对照地区(Bohu et al., 2019

  该研究结果的重要意义在于:真菌主导地表矿物生物风化并有很强大的菌丝扩展与生长的能力,该现象有可能对地球浅表层金的迁移与分布,以及自然界中金纳米颗粒的形成给出地质真菌学(Geomycology)的解释。研究成果引起了多个领域UU快三科学家的关注。澳大利亚莫纳什大学的地质化学家Joel Brugger认为这项研究提出了一个关键的机制解释了金从地下高温500 摄氏度)深部富集到形成次生矿床再扩散到地表过程中生物扰动的重要作用。瑞士Neuchatel大学的微生物学家Saskia Bindschedler认为这项研究综合利用地质学、化学以及生物学提出了一个全新的金生物地球化学循环途径。关于真菌影响金以及其他金属元素迁移与富集的研究,在未来的工矿业界也具有潜在的应用价值。 

  【致谢:感谢澳大利亚UU快三科学与工业组织矿产资源中心 (CSIRO Mineral Resources, Perth, Western Australia) 呼庆博士对本文的完善。】 

    

  主要参考文献 

  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. 

  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. 

  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. 

  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. 

  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. 

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

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

  (撰稿:/矿产室)

 
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