创建维诺格拉茨基柱：在沉积物样本中丰富微生物物种的方法

资料来源：伊丽莎白·苏^特1，克里斯托弗·科尔^博1，乔纳森·布莱^泽1
¹大学生物科学系，瓦格纳学院，1 校园路，纽约州斯塔顿岛，10301

维诺格拉茨基柱是一个微型的封闭生态系统，用于丰富沉积物微生物群落，特别是那些参与硫循环的微生物群落。该柱在19世纪80年代首次由谢尔盖·维诺格拉茨基使用，此后应用于生物地球化学中涉及的多种微生物的研究，如光合体、硫氧化剂、硫酸还原剂、甲烷原、铁氧化剂、氮循环器，以及更多（1，2）。

地球上的大多数微生物被认为是不可培养的，这意味着它们不能被隔离在试管或培养皿（3）。这是由于许多因素，包括微生物依赖于其他代谢产物。维诺格拉茨基柱中的条件与微生物的自然栖息地（包括它们与其他生物的相互作用）紧密地模仿，并允许它们在实验室中生长。因此，这项技术允许科学家研究这些生物体，并了解它们对地球生物地球化学循环的重要性，而不必孤立地生长。

地球的环境充满了微生物，它们生长在所有类型的栖息地，如土壤、海水、云层和深海沉积物。在所有栖息地，微生物相互依赖。随着微生物的生长，它消耗特定的基质，包括富含碳的燃料，如糖以及营养物质、维生素和氧气等呼吸气体。当这些重要的资源耗尽时，具有不同代谢需求的不同微生物就会开花并茁壮成长。例如，在维诺格拉茨基柱中，微生物首先消耗添加的有机物质，同时消耗柱底层中的氧气。一旦氧气被消耗，厌氧生物就可以接管并消耗不同的有机物质。随着时间推移，不同微生物群落的连续发展称为继承（4）。微生物继承在维诺格拉茨基柱中很重要，微生物活动会改变沉积物的化学成分，进而影响其他微生物的活性等等。土壤和沉积物中的许多微生物也沿着梯度生活，梯度是两种不同类型的生境之间的过渡区，基于基质的浓度（5）。在梯度的正确点上，微生物可以接收不同基质的最佳量。随着维诺格拉茨基柱的发展，它开始模仿这些自然梯度，特别是在氧气和硫化物中（图1）。

图 1：在维诺格拉茨基柱中发育的_氧（O2）和硫化物（H2S）梯度的表示。

在维诺格拉茨基柱中，池塘或湿地的泥浆和水混合在透明的柱子中，允许孵育，通常是在光线下。在柱中加入额外的基质，为社区提供碳源，通常以纤维素和硫的形式存在。光合器通常开始在沉积物的顶层生长。这些光合微生物主要由蓝藻组成，蓝藻产生氧气，呈绿色或红褐色层（图2，表1）。光合作用产生氧气，而氧气对水的可溶性并不高，而且低于此层（图1）。这将产生氧气梯度，从顶层的高浓度氧气到底层的零氧。含氧层称为有氧层，无氧层称为厌氧层。

在厌氧层中，许多不同的微生物群落可以增殖，这取决于可用的基质的类型和数量、初始微生物的来源和沉积物的孔隙度。在柱的底部，厌氧分解有机物的生物体可以茁壮成长。微生物发酵产生有机酸从纤维素的分解。然后，硫酸盐还原剂可以使用这些有机酸，利用硫酸盐氧化这些有机物，并生产硫化物作为副产品。如果沉积物变黑，硫酸盐还原剂的活性表示，因为铁和硫化物会反应形成黑色硫化铁矿物（图2，表1）。硫化物也会向上扩散，从而产生另一个梯度，其中硫化物浓度高在柱的底部，低在柱的顶部（图1）。

在柱的中间附近，硫氧化剂利用从上面供应的氧气和下面的硫化物。光合硫氧化剂在适当的光量下可以开发在这些层中。这些生物体被称为绿色和紫色硫细菌，通常显示为绿色、紫色或紫红色细丝和斑点（图2，表1）。绿色硫磺细菌对硫化物的耐受性较高，通常发展在紫硫细菌正下方的层中。紫硫细菌以上，紫无硫菌也可能发展。这些有机体使用有机酸作为电子捐赠者而不是硫化物进行光合，通常表现为红色、紫色、橙色或棕色层。非光合硫氧化剂可以发展在紫色非硫细菌之上，这些通常表现为白色细丝（图2，表1）。此外，在维诺格拉茨基列中也可能形成气泡。有氧层中的气泡表示蓝藻产生的氧气。厌氧层中的气泡很可能是由于甲烷原的活性，这种生物体有氧分解有机物，形成甲烷作为副产品。

列中的位置	功能组	有机体示例	视觉指示器
返回页首	光合成器	蓝藻	绿色或红褐色图层。有时是氧气的气泡。
	非光合硫氧化剂	比吉亚托亚，蒂奥巴奇鲁斯	白色图层。
	紫色无硫细菌	罗多微比姆，罗多斯皮里卢姆，罗多普苏德蒙纳斯	红色、紫色、橙色或棕色图层。
	紫色硫磺细菌	铬	紫色或紫色-红色图层。
	绿色硫磺细菌	氯比	绿色图层。
	硫酸盐还原细菌	脱苏尔福维布里奥、脱硫素、脱硫杆菌、脱硫菌	黑色层。
底部	梅萨诺根	美他球菌，美他拉诺沙西纳	有时是甲烷的气泡。

表 1：可能出现在经典维诺格拉茨基柱中，从上到下的主要细菌群。给出了每组生物体的例子，并列出了每一层生物体的可视指标。根据佩里等人（2002年）和罗根等人（2005年）。

1. 设置

要设置维诺格拉茨基列，您需要一些基本用品：
- 铲子、水桶和瓶子在现场收集样品
- 垂直透明容器，如约 1L 的分级钢瓶或塑料水瓶
- 塑料包装和橡皮筋
- 大搅拌碗和大勺子搅拌
- 硫源（蛋黄或硫酸钙）
- 有机碳的来源（纤维素，碎纸的形式）
- 光源（阳光窗或台灯）
- 从沼泽、湿地、池塘或溪流中收集的土壤或泥?...

在这个实验中，水和沉积物是从淡水栖息地收集的。两个维诺格拉茨基柱被建造并允许开发：一个经典的维诺格拉茨基柱在室温下在光线下孵育（图2A），一个维诺格拉茨基柱在室温下在黑暗中孵育（图2B）。

Figure 2B
图 2B：经典维诺格拉茨基柱的照片（左），在室温下在光线下孵育68天，在室温下在黑暗中?...

维诺格拉茨基专栏是相互依存的微生物生态系统的一个例子。在垂直柱中混合泥浆、水和额外的碳和硫基板后，分层生态系统应在几周内稳定成单独的稳定区域。这些区域被不同的微生物占据，这些微生物沿着底部富含硫化物的沉积物和顶部富氧沉积物之间的梯度在一个特定点上茁壮成长。通过操纵 Winogradsky 柱内的条件和基质，不同微生物（如嗜烟剂、嗜热剂、嗜血液、硫氧化剂、脱硫剂、铁氧...

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