我校科研团队发现砷释放调控新机制

地大新闻网讯 （通讯员 杨程晟 何娟）近日，我校环境学院生物系曾宪春教授团队的研究成果——《硝酸盐对微生物介导沉积物中固相砷还原性溶解的双向调控作用机制研究：宏基因组与功能分析》在自然指数期刊《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）上发表。这一发现解答了长期困扰本领域学者的科学问题：硝酸盐如何影响砷污染地下水中砷浓度的变化。

长期以来，人们一直关注硝酸盐如何影响砷污染地下水中砷浓度的变化，但至今为止对其并未找到明确的规律。曾宪春教授团队曾研究发现硝酸盐对呼吸性砷还原微生物（DARPs）的功能基因表达具有明显的抑制作用，这似乎表明地下水中的硝酸盐与砷浓度应该呈现负相关。然而，相关研究并未发现硝酸盐与砷浓度呈现明显的相关性，这个矛盾问题一直困扰着本领域的学者。为了解决这个问题，该研究从环境基因组和微生物功能分析的角度出发，探讨了硝酸盐对微生物介导的固相砷还原性溶解的双向调控作用及其微生物机制。

该研究采集了多个不同地点的砷污染沉积物样品，并分别分析了硝酸盐对于呼吸性砷还原微生物（DARPs）介导的固相砷还原性溶解与释放的影响，发现存在明显促进、明显抑制或无明显影响三种情况，没有明确规律。为了深入探究这一现象的机制，研究中选择了硝酸盐对微生物介导的砷释放具有中等程度的“促进”或“抑制”两类样品进行研究。通过环境基因组分析，我们发现这些样品中含有两类呼吸性砷还原微生物（DARPs），一类将硝酸盐还原为亚硝酸盐(I型DARPs)，另一类是将硝酸盐转化为铵根(Ⅱ型DARPs) (图1)。因此，研究推断在群落水平，这两类呼吸性砷还原微生物（DARPs）的相对比例可能是决定硝酸盐对DARPs介导的固相砷还原性溶解的影响是促进或抑制的关键因素。

图1：两种砷污染沉积物中微生物群落的宏基因组分析

为进一步验证推断，研究团队成功从砷污染沉积物中分离出了两株可培养呼吸性砷还原菌株，命名为尼氏芽胞杆菌A01 (Neobacillus sp. A01)和类芽孢杆菌A02(Paenibacillus sp. A02)，它们分别代表了Ⅰ型和Ⅱ型呼吸性砷还原微生物 (图2)。研究团队分别使用这两个菌株进行了硝酸盐存在条件下的固相砷释放实验，结果发现，硝酸盐抑制了A01菌株介导的固相砷的还原性溶解与释放，其具体机制是A01催化了硝酸盐不完全反硝化，其终产物亚硝酸盐抑制了呼吸性砷还原微生物（DARPs）的呼吸性砷还原酶基因(arrA)表达和细菌的生长；与此不同的是，硝酸盐促进了A02菌株介导的固相砷的还原性溶解与释放，其具体机制是A02催化了异化硝酸盐还原产铵(DNRA)反应，其终产物铵根增强了呼吸性砷还原酶基因(arrA)的表达，并显著促进了呼吸性砷还原微生物的生长。研究表明，硝酸盐对呼吸性砷还原微生物催化的固相砷的还原性溶解与释放的实际影响主要取决于沉积物中Ⅰ型和Ⅱ型呼吸性砷还原微生物（DARPs）的相对比例。

图2：可培养呼吸性砷还原菌株尼氏芽胞杆菌A01和类芽孢杆菌A02的基因组分析

该研究发现，砷污染沉积物中主要含有两类呼吸性砷还原微生物（DARPs）：Ⅰ型DARPs具有将硝酸盐(NO3−)还原为亚硝酸盐(NO2−)的能力，Ⅱ型DARPs具有将硝酸盐(NO3−)还原为铵盐(NH4+)的能力，通过分析这两种呼吸性砷还原微生物在沉积物中的相对比例，可以准确预测硝酸盐如何影响呼吸性砷还原微生物（DARPs）介导的沉积物中固相砷的还原性溶解与释放。

该项研究成果受国家自然科学基金委创新研究群体项目和国家自然科学基金面上项目联合资助。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c02190

（编辑 孙彦钦 审稿 陈华文）