Abstract

Silica biomineralization associated with unicellular microbes (Cyanidium caldarium) living in strongly acidic hot springs were observed by electron microscopy. The unicellular microbes form green biomats undergoing photosynthesis in Kamuiwakka Falls, Hokkaido, Japan. The hot-spring water is strongly acidic, with pH less than 2, and rich in S. Electron microscopy observations showed that the cell walls of unicellular microbes served as sites for nucleation of silica, polymerization of silicic acid and adhesion of colloidal silica. The precipitates formed an amorphous silica crust on the cell walls, which consist of granular silica spherules with a uniform size. The spherules commonly assimilate the cell walls. Data from X-ray diffraction and electron diffraction of the silica crusts reveal that the crusts are amorphous or of low crystallinity. Electron-dispersion X-ray spectroscopy also showed that the crusts are mainly composed of Si with traces of S and Cl. The unicellular microbes have a double-layer cell wall; therefore, silica crusts may form a double layer. FT–IR spectra of cells with and without silica crusts indicated that N–H, C=O and C–N–H bands were derived from peptides in cells, whereas the Si–O band was derived from silica crusts. Some models also are suggested on the interaction between cell wall and silica under strongly acidic conditions. Processes of silica biomineralization of unicellular microbes as described in this paper have profound implications for evolution of siliciferous microbes.

Abstract

Une biominéralisation en silice associée à des microbes unicellulaires (Cyanidium caldarium) vivant près de sources thermales fortement acides a été étudiée par microscopie électronique. Les microbes unicellulaires forment des tapis biologiques verdâtres à activité photosynthétique aux chutes Kamuiwakka, Hokkaido, au Japon. L’eau des sources thermales est fortement acide, avec un pH de moins de 2, et riche en soufre. Nos observations par microscopie électronique montrent que les parois des cellules de ces microbes ont servi de sites de nucléation de la silice, la polymérisation d’acide silicique, et l’adhésion de silice colloïdale. Les précipités forment une croûte de silice amorphe sur les parois des cellules; elle est faite de granules de silice ayant une taille uniforme. Les spherules ont assimilé les parois de façon répandue. Les données de diffraction X et d’électrons révèlent que la croûte de silice est soit amorphe, soit de faible cristallinité. Les spectres de dispersion d’énergie montrent qu’il s’agit de croûtes composées surtout de Si avec des traces de S et de Cl. Les microbes unicellulaires possèdent des parois doubles à leurs cellules; c’est ainsi que les encroûtements peuvent aussi être doubles. Les spectres FT–IR des cellules avec ou sans croûtes de silice montrent les bandes N–H, C=O et C–N–H dérivées à partir des peptides dans les cellules, alors que la bande attribuée à la liaison Si–O est dérivée des croûtes de silice. Certains modèles sont discutés à propos de l’interaction des parois cellulaires et de la silice en milieux fortement acides. Les processus de biominéralisation impliquant la silice décrits dans cet article auront des implications importantes pour l’évolution des microbes siliceux.

(Traduit par la Rédaction)

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