中国科学院地质与地球物理研究所科学团队成员联合国内外多个单位科研人员，发现趋磁细菌可能是一类重要的微生物功能群，在地球水生环境的物质和能量循环中起重要作用。相关研究成果发表在JGR-Biogeosciences上，并被选为亮点文章（ResearchSpotlight）在Eos上报道。本文为文章第一作者李金华研究员撰写的关于该研究的详细内容。
地球有磁场和生命。地磁场起源于地球内部，伸向高空，像一把伞，保护地球生命和环境免受太阳风的侵袭。在与地磁场的长期协同演化过程中，很多生物（包括微生物和动物）都产生了感知地磁场的能力。比如，信鸽、知更鸟、大马哈鱼、海龟、蜜蜂等高等动物能利用地磁场的导向作用，进行长距离的迁徙或洄游等。
趋磁细菌是一类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。磁小体多呈链状排列，作为细胞的小磁针，可以感知地磁场，使其沿磁力线方向游泳，从而迅速找到最适合生存的微环境，即水体中“有氧-无氧界面（OAI）”。学界把这种行为称作“趋磁性”或“磁辅助-趋化性”。
自上世纪六七十年代以来，趋磁细菌被作为理想的模式系统，被广泛用来研究生物地磁响应行为及其分子机制。长期以来，“趋磁性”或“磁辅助-趋化性”被认为是趋磁细菌受到地磁场的扭力作用，而被地磁场定向后，在鞭毛的推动下，向上或向下游动到水体中的OAI界面附近。
近日，中国科学院地质与地球物理研究所科学团队成员联合国内外多个单位科研人员，发现趋磁细菌利用地磁场的定向作用，在OAI中上下穿梭，从而将OAI上部有氧或微氧与其下部的厌氧环境联动起来，进而驱动碳、氮、硫和铁等在地球水生环境的无氧与有氧环境中的元素循环。研究结果表明趋磁细菌可能是一类重要的微生物功能群，在地球水生环境的物质和能量循环中起重要作用。同时，该研究还提出了一种“细菌利用地磁场在水体有氧-无氧界面上下穿梭驱动微生物硫循环”的新机制。
这幅卡通图展示了趋磁细菌利用地磁场的定向作用，在水体中向上向下来回穿梭，不仅将不同类型化学物质上下运输，还将其在OAI上部的有氧代谢过程（硫氧化和硝酸盐吸收等）与OAI下部的厌氧代谢过程（硫酸盐还原、硫的部分还原及沉积和硝酸盐还原等）联动起来，从而促进细胞的生长和磁小体的生物矿化。
图文设计：郑越/李金华
有氧-无氧界面（OAI）是地球上有氧与无氧环境之间的过渡带。在地球的水生环境中（如海洋、湖泊、沼泽和河流），OAI主要存在于沉积物表层或者具有化学梯度分层的水体中。氧气（O2）与硫化氢（H2S）的反向化学梯度变化是水生环境OAI的最重要特征。一般来讲，从上向下，氧气浓度逐渐降低；而从下向上，硫化氢浓度逐渐递减；中间通常还存在一个二者浓度极低或者都缺失的地带，其厚度变化很大，从几厘米到几十米都存在。
OAI在自然界硫循环中作用巨大。通常而言，OAI下部无氧环境中的硫化氢，需要被带到OAI上部的有氧环境下，才能被彻底氧化成硫酸盐。前人研究发现，微生物演化出多种策略，充当硫物质的“转运使者”或硫氧化-还原反应的电子“传递体”，并从中获得能量，供自己生长。比如，电缆细菌以头尾相接的方式组成一条上千个细胞长度的丝状结构，一头伸出沉积物连接氧气，一头扎入沉积物中吸收硫化物。在下部将硫化氢氧化成单质硫，同时释放电子，再通过身体上的纳米电缆把电子传递到上端，进行有氧呼吸，产生能量，以供细胞生长。与电缆细菌不同，纳米比亚嗜硫珠菌（迄今发现尺寸最大的单细胞细菌，可达微米）在厌氧环境利用体内存储的硝酸盐将硫化氢氧化成单质硫（S2-→S0），并以硫颗粒的形式暂时存贮起来（在光学显微镜下硫颗粒会发出闪烁夺目的光彩，使得整个纳米比亚嗜硫珠菌细胞泛着微微的“珠光”，像极了饱满圆润的珍珠，因而得名）。当受到水流或其他物理扰动，携带有大量硫颗粒的细胞被带到有氧环境后，会利用氧气将单质硫彻底氧化成硫酸盐（S0→SO42-），同时吸收并将大量的硝酸盐存贮在囊泡中，以备无氧环境下氧化硫化氢所需。
各种硫细菌各显神通跨越“有氧-无氧界面”。电缆细菌充当硫氧化还原的电子传递体，而嗜硫珠菌充当硫物质的转运使者
图片提供：李金华
趋磁细菌是典型的梯度微生物，它们在全球水生环境中广泛分布，且集中生活在OAI界面或稍靠下的厌氧环境中。大量的观测发现，除了在细胞内矿化合成磁铁矿（Fe3O4）或胶黄铁矿（Fe3S4）颗粒外，很多趋磁细菌还可以在细胞内合成硫、多聚偏磷酸、脂质体、甚至碳酸钙等颗粒，指示趋磁细菌具有C、N、P、S和Fe等元素多样化的代谢潜能，及其在推动这些元素的地球化学循环中的潜在贡献。
年，德国慕尼黑大学的古地磁学家NikolaiPetersen教授，在德国巴伐利亚州素有“巴伐利亚之海”称号的基姆湖中发现了一类独特的趋磁细菌，它细胞巨大，呈稍微弯曲的长杆状（有没有点酷似巴伐利亚大香肠的感觉哈），被命名为巴伐利亚趋磁大杆菌（Magnetobacteriumbavaricum）。与通常只有1-3微米大小的单细胞趋磁细菌不同，巴伐利亚趋磁大杆菌直径约为1.5微米，长度可达约8-10微米，能在细胞内合成多达上千个子弹头形磁小体，还能合成大量的硫颗粒。这类有点像“趋磁细菌界航母”的大杆菌旋即引起趋磁细菌研究领域学者广泛地