生物矿化是指通过生物或生物质形成矿物的过程，是连接地球上有机圈层与无机圈层的重要纽带，对理解地质过程与生命活动相互作用和利用生物化石记录研究地球与生命之间的协同演化等有重要意义。趋磁细菌能在细胞内形成有生物膜包被、晶型尺寸独特可控的磁铁矿晶体，是生物控制矿化研究的典范。而铁还原和铁氧化细菌则通常在细胞外形成类型多样、形貌尺寸多变的含铁矿物，属于生物诱导型矿化。传统观点认为，微生物胞外诱导矿化受外界环境影响大，其矿化产物也很难与非生物成因矿物区分，因而限制了其在地质记录和生物仿生矿化中的拓展应用。中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员与潘永信院士生物地磁学团队联合中国科学院烟台海岸带研究所、加拿大国家同步辐射中心、法国巴黎第六大学和德国图宾根大学的科研人员，利用先进的电子显微镜技术和基于同步辐射的扫描透射X射线显微镜（STXM）方法，系统研究了异化铁还原菌Shewanella oneidensis MR-4的胞外诱导矿化过程及其产物特性。他们发现：1）以水合氧化铁为底物，可以通过微调培养体系诱导矿化生成超顺磁磁铁矿晶体，以及具有特殊组装构型的菱铁矿和蓝铁矿微晶；2）细胞物质（可能是脂类等有机质）参与了菱铁矿和蓝铁矿微晶体的成核和组装，并被封存或保留在这些矿物微晶体内。
一、异化型铁还原细菌
异化铁还原菌是一种可以耦合C元素和Fe元素的微生物，它可以通过氧化有机质或者H2还原Fe3+，从而在胞外矿化形成一系列含Fe2+矿物。异化铁还原菌能够还原结晶程度较低的Fe3+矿物，如水合氧化铁、纤铁矿等，其还原程度较高；也可以利用结晶程度较高的Fe3+矿物，如针铁矿、赤铁矿等，但多局限于纳米级的颗粒，且还原程度较低，多集中于矿物颗粒表层。异化铁还原菌可以利用上述矿物作为Fe3+底物在胞外诱导矿化生成磁铁矿、菱铁矿和蓝铁矿等矿物。不同于趋磁细菌矿化形成的单畴磁铁矿颗粒，异化铁还原菌矿化形成的磁铁矿多为超顺磁颗粒，只有某些菌株在高温或长时间的培养过程中会矿化形成大粒径的磁铁矿。前人对异化铁还原菌矿化形成的磁铁矿开展了大量研究，然而对其矿化生成的菱铁矿和蓝铁矿产物研究较少。
二、菱铁矿和蓝铁矿的形成过程、形貌演化及其对应的显微结构
通过检测异化铁还原菌S. oneidensis MR-4诱导菱铁矿和蓝铁矿生成过程中的微生物-化学参数（图1左），他们发现无论在低P或高P（磷元素）培养基中，随着S. oneidensis MR-4细胞的生长，培养体系中的蛋白浓度在~20天达到最高值。相对应地，培养体系的上清液中Fe(II)浓度也在相同的时间点达到最高值。而由于水合氧化铁的还原和磁铁矿、菱铁矿或蓝铁矿的形成，沉淀中的Fe2+浓度逐渐增加，而上清液中Fe2+浓度逐渐降低。相比于对照组，整个培养过程中反应体系的pH没有明显变化。这说明低P或高P（磷元素）培养基对S. oneidensis MR-4诱导菱铁矿和蓝铁矿生成过程中的微生物-化学性质没有明显影响。
然而，由于异化铁还原菌是通过胞外诱导方式矿化形成矿物，其培养环境对其最终矿化产物有着重要影响。在低P（磷元素）培养基中，异化铁还原菌S. oneidensis MR-4还原水合氧化铁生成的Fe(II)主要与NaHCO3缓冲液中的CO32-结合形成菱铁矿，其晶体有着独特的形貌演化顺序：纺锤状-棒状-花生状-哑铃状-球状（图1中）。而在高P培养基中，异化铁还原菌S. oneidensis MR-4还原水合氧化铁生成的Fe(II)主要与PO43-结合形成蓝铁矿，其形貌主要为纤维状或者叶片状。高分辨扫描电子显微镜观察发现菱铁矿和蓝铁矿颗粒分别是由许多单晶菱铁矿板和蓝铁矿板组成（图1右），这些单晶板从矿物的中心呈扇形散开，铁还原菌通过类似“搭积木”的过程对单晶板进行组装。
图1 异化铁还原菌S. oneidensis MR-4诱导菱铁矿和蓝铁矿生成过程中的微生物-化学-矿物检测（左）、电镜观察（中）和精细结构（右）分析结果
三、菱铁矿的粒径分布、原位化学和自动晶体取向映射特征
通过对异化铁还原菌S. oneidensis MR-4诱导生成的菱铁矿进行粒径统计分析发现：虽然纺锤状、棒状和花生状菱铁矿的形貌不同，但其长/宽比是一致的（2-3），而哑铃状和球状菱铁矿的长/宽比分别为2-1和~1，这说明当菱铁矿的形状从花生状转变为哑铃状后，其宽度的增长速率更快（图2左上）。STXM分析发现，菱铁矿颗粒中还含有Fe3+和有机分子（图2左下）。透射电镜自动晶体取向分析（ACOM）结果也发现菱铁矿中心结晶程度较差，与周围呈放射状生长的部分不同（图2右）。这表明菱铁矿晶体最初可能以Fe3+（水合氧化铁）和有机分子作为成核位点，后续通过单晶菱铁矿板的组装后呈放射状生长。并且这些有机分子不仅有助于单晶菱铁矿板的组装和菱铁矿的多步骤生长过程，反之，菱铁矿也是有机分子的“坟墓”，有利于有机分子的保存。
图2 异化铁还原菌S. oneidensis MR-4矿化产物菱铁矿粒径分布（左上）、原位化学（左下）和透射电镜自动晶体取向映射特征（右）
四、异化铁还原菌诱导矿化模型
通过连续检测异化铁还原菌S. oneidensis MR-4矿化过程中Fe浓度和矿化产物的变化，他们发现在前14天的培养过程中，上清液的Fe(II)浓度较低，磁铁矿是S. oneidensis MR-4唯一的矿化产物。而培养到~20天时，上清液的Fe(II)浓度达到峰值，S. oneidensis MR-4诱导菱铁矿或蓝铁矿生成。这说明上清液中的Fe(II)浓度在异化铁还原菌诱导矿物生成过程中起着主要作用。结合电子显微镜和STXM结果，提出了S. oneidensis MR-4诱导矿化磁铁矿、菱铁矿或蓝铁矿的模型（图3）：在实验初期，细菌生成的Fe(II)含量较低，Fe(II)立即与水合氧化铁反应生成磁铁矿；随着细胞的生长，其生成Fe(II)含量增加，Fe(II)与溶液中的CO32-或PO43-结合，并以水合氧化铁和有机分子作为成核位点形成菱铁矿或蓝铁矿。后续菱铁矿进一步的粒径生长伴随着形貌学的变化：纺锤状-棒状-花生状-哑铃状-球状，而蓝铁矿主要为纤维状或者叶片状。
图3 异化铁还原菌S. oneidensis MR-4诱导磁铁矿、菱铁矿或蓝铁矿的矿化过程
该研究不仅观察到异化铁还原菌诱导菱铁矿和蓝铁矿矿化是一个类似于“搭积木”的过程，菱铁矿和蓝铁矿作为有机分子的“坟墓”有利于有机质的保存，也证实了其独特的形貌结构和内部有机分子的存在可能是地质记录中生物成因菱铁矿和蓝铁矿识别的形貌学和地球化学证据，同时也为利用铁细菌的生物矿化作用开展环境修复和生物仿生等纳米地球科学应用提供指导。
研究成果发表于EST并被选为封面文章（韩晓华#，王芙仙#，郑世玲，邱浩，刘延，王建，Nicolas Menguy，Eric Leroy，Julie Bourgon，Andreas Kappler，刘芳华，潘永信，李金华*. Morphological, Microstructural, and In Situ Chemical Characteristics of Siderite Produced by Iron-Reducing Bacteria [J]. Environmental Science & Technology, 2024, 58(25): 11016-11026. DOI: 10.1021/acs.est.3c10988.）
