地質地球所等揭示趨磁細菌復雜磁性機制

　　趨磁細菌（magnetotactic bacteria）是生物控制礦化研究的典范和古地磁學研究的新生長點，它們能夠在細胞內合成有生物膜包被的、納米尺寸、單磁疇磁鐵礦晶體顆粒，也稱為磁小體（magnetosome）。磁小體在細胞內多成鏈排列，作為趨磁細菌的“磁場感應器”，促使其沿磁場方向定向游弋，這個過程被稱為趨磁性。趨磁細菌死亡后，磁小體能夠被保存下來，成為化石磁小體（magnetofossil）。沉積物和巖石中的化石磁小體是良好的磁信號載體，可能記錄了化石磁小體形成、埋藏時的古地磁場及古環境信息，因此，其是重建古地磁和古環境信息的潛在替代指標；作為新型生物源磁性納米材料，功能化磁小體在納米材料和生物醫藥領域具有應用前景。

　　趨磁細菌研究的核心是“磁小體的礦化和磁學”。近年來，得益于分子生物學和基因組學的快速發展，微生物學家已發現了與磁小體合成相關的基因，鑒定出參與鐵吸收轉運、顆粒尺寸控制及鏈組裝的蛋白質。然而，與有機過程相比，學界尚不清楚磁小體鏈合成的無機過程（即晶體成核和生長等）及由此產生的復雜磁性機制。宏觀磁學與微觀結構研究有機結合、微生物學及礦物學和物理學等多學科交叉研究，是趨磁細菌和識別磁小體化石研究的必要手段。

　　近日，中國科學院地質與地球物理研究所科研人員聯合國內外多個單位的科研人員，綜合微生物學、電子顯微學和巖石磁學技術，在河北省秦皇島市湯河中發現了一類特殊的趨磁球菌THC-1，其磁小體并非像絕大多數趨磁細菌一樣排列成鏈狀，因而，產生了獨特的磁學性質（圖1）。綜合研究表明：（1）湯河趨磁球菌THC-1細胞直徑為2.5±0.2 μm，每個細胞中含有35±15個磁鐵礦型磁小體。磁小體的平均晶體長度為70.6±8.6 nm，寬度為42.3±5.2 nm。除磁小體之外，THC-1細胞還能夠在細胞內合成富含硫和多聚偏磷酸的顆粒；（2）THC-1的磁小體晶型為拉長的棱柱形，棱柱體由6個{110}組成，頂部和底部由兩個{111}面構成，棱柱的十二個角分別被六個{111}面、六個{110}面和六個{001}面截斷；（3）特殊的磁小體空間結構使THC-1的宏觀磁學性質與其他趨磁細菌顯著不同，如擁有相對較高的δ_FC和δ_ZFC值、較低的δ_FC/δ_ZFC值，一階反轉曲線圖（FORC）顯示出較強的磁相互作用。

　　綜合前人及課題組的前期研究成果，該研究揭示趨磁細菌磁小體的磁性復雜多樣，受趨磁細菌種類、磁小體空間排列狀態、趨磁細菌生長條件、磁小體化學純度等生物及物理和化學因素的綜合控制，雖與非生物成因的磁性礦物存在顯著區別，但并不具有唯一性（圖2）。

　　相關研究成果以Biomineralization and Magnetism of Uncultured Magnetotactic Coccus Strain THC-1 With Non-chained Magnetosomal Magnetite Nanoparticles為題，發表在JGR-Solid Earth上。研究工作得到國家自然科學基金重點國際（地區）合作研究項目、國家自然科學基金重大項目課題和國家自然科學基金創新研究群體項目的支持。

圖1 趨磁球菌THC-1的細胞和磁小體形貌特征

圖2 不同種類趨磁細菌和非趨磁細菌起源的磁鐵礦數據分布和磁學性質比較