地质地球所等揭示趋磁细菌复杂磁性机制

趋磁细菌（magnetotactic bacteria）是生物控制矿化研究的典范和古地磁学研究的新生长点，它们能够在细胞内合成有生物膜包被的、纳米尺寸、单磁畴磁铁矿晶体颗粒，也称为磁小体（magnetosome）。磁小体在细胞内多成链排列，作为趋磁细菌的“磁场感应器”，促使其沿磁场方向定向游弋，这个过程被称为趋磁性。趋磁细菌死亡后，磁小体能够被保存下来，成为化石磁小体（magnetofossil）。沉积物和岩石中的化石磁小体是良好的磁信号载体，可能记录了化石磁小体形成、埋藏时的古地磁场及古环境信息，因此，其是重建古地磁和古环境信息的潜在替代指标；作为新型生物源磁性纳米材料，功能化磁小体在纳米材料和生物医药领域具有应用前景。

趋磁细菌研究的核心是“磁小体的矿化和磁学”。近年来，得益于分子生物学和基因组学的快速发展，微生物学家已发现了与磁小体合成相关的基因，鉴定出参与铁吸收转运、颗粒尺寸控制及链组装的蛋白质。然而，与有机过程相比，学界尚不清楚磁小体链合成的无机过程（即晶体成核和生长等）及由此产生的复杂磁性机制。宏观磁学与微观结构研究有机结合、微生物学及矿物学和物理学等多学科交叉研究，是趋磁细菌和识别磁小体化石研究的必要手段。

近日，中国科学院地质与地球物理研究所科研人员联合国内外多个单位的科研人员，综合微生物学、电子显微学和岩石磁学技术，在河北省秦皇岛市汤河中发现了一类特殊的趋磁球菌THC-1，其磁小体并非像绝大多数趋磁细菌一样排列成链状，因而，产生了独特的磁学性质（图1）。综合研究表明：（1）汤河趋磁球菌THC-1细胞直径为2.5±0.2 μm，每个细胞中含有35±15个磁铁矿型磁小体。磁小体的平均晶体长度为70.6±8.6 nm，宽度为42.3±5.2 nm。除磁小体之外，THC-1细胞还能够在细胞内合成富含硫和多聚偏磷酸的颗粒；（2）THC-1的磁小体晶型为拉长的棱柱形，棱柱体由6个{110}组成，顶部和底部由两个{111}面构成，棱柱的十二个角分别被六个{111}面、六个{110}面和六个{001}面截断；（3）特殊的磁小体空间结构使THC-1的宏观磁学性质与其他趋磁细菌显著不同，如拥有相对较高的δFC和δZFC值、较低的δFC/δZFC值，一阶反转曲线图（FORC）显示出较强的磁相互作用。

综合前人及课题组的前期研究成果，该研究揭示趋磁细菌磁小体的磁性复杂多样，受趋磁细菌种类、磁小体空间排列状态、趋磁细菌生长条件、磁小体化学纯度等生物及物理和化学因素的综合控制，虽与非生物成因的磁性矿物存在显著区别，但并不具有唯一性（图2）。

相关研究成果以Biomineralization and Magnetism of Uncultured Magnetotactic Coccus Strain THC-1 With Non-chained Magnetosomal Magnetite Nanoparticles为题，发表在JGR-Solid Earth上。研究工作得到国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目、国家自然科学基金重大项目课题和国家自然科学基金创新研究群体项目的支持。

图1 趋磁球菌THC-1的细胞和磁小体形貌特征

图2 不同种类趋磁细菌和非趋磁细菌起源的磁铁矿数据分布和磁学性质比较