曾宪春教授团队发现砷释放调控新机制
● 杨程晟
近日，我院生物系曾宪春教授团队的研究成果—Contradictory Impacts of Nitrate on the Dissimilatory Arsenate-Respiring Prokaryotes-Induced Reductive Mobilization of Arsenic from Contaminated Sediments: Mechanism Insight from Metagenomic and Functional Analyses在Nature Index期刊Environmental Science & Technology(IF: 11.4,一区)上发表。
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。本课题组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，本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。
本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，我们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，我们推断在群落水平，这两类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。
为了进一步证明这个推断，我们成功从砷污染沉积物中分离出了两株可培养DARP菌株，命名为Neobacillus sp. A01和Paenibacillus sp. A02，它们分别代表了Ⅰ型和Ⅱ型DARPs(图2)。我们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DARPs的arrA基因表达和细菌的生长；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arrA基因表达，并显著促进了DARPs的生长。这些发现表明，硝酸盐对DARPs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DARPs的相对比例。
总而言之，本研究发现砷污染沉积物中主要含有两类DARPs：Ⅰ型DARPs具有将NO3−还原为NO2−的能力，Ⅱ型DARPs具有将NO3−还原为NH4+的能力，通过分析这两种DARPs在沉积物中的相对比例，可以准确预测硝酸盐如何影响DARPs介导的沉积物中固相砷的还原性溶解与释放。这一发现成功解答了长期困扰本领域学者的科学问题：硝酸盐是如何影响砷污染地下水中砷浓度的变化？
该项研究成果受国家自然科学基金委创新研究群体项目(41521001)和国家自然科学基金面上项目(41472219)联合资助。
论文信息：Zeng, X.C*(曾宪春), Xu, Y.F(徐一帆), Lu, H.Y(卢虹羽), Xiong, J.Y(熊建宇)., XuH (徐亥), Wu, W.W(吴薇薇).Contradictory Impacts of Nitrate on the Dissimilatory Arsenate-Respiring Prokaryotes-Induced Reductive Mobilization of Arsenic from Contaminated Sediments: Mechanism Insight from Metagenomic and Functional Analyses.Environmental Science & Technology,2023, 57, 36, 13473–13486.
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c02190
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