近期，派森諾與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所合作，在Nature集團(tuán)旗下的微生態(tài)領(lǐng)域知名期刊《The ISME Journal》發(fā)表重要研究成果，通過(guò)對(duì)礦山尾礦開(kāi)采及其造成的銻（Sb）污染相關(guān)研究，構(gòu)建了微宇宙（Microcosm），利用穩(wěn)定同位素探測(cè)、多樣性組成譜測(cè)序和宏基因組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了尾礦環(huán)境中具有銻代謝潛能的功能型微生物，并鑒定了一種新型生物地球化學(xué)過(guò)程——硫（S）氧化與Sb（V）還原耦合。
本研究刷新了我們對(duì)銻生物地球化學(xué)循環(huán)的基本認(rèn)識(shí)，闡明了微生物代謝銻金屬的新途徑，為銻尾礦的生物地球化學(xué)修復(fù)策略提供了指引，可喜可賀！
研究背景
銻（Sb）是一種廣泛分布于巖石圈的有毒金屬。中國(guó)作為銻礦大國(guó)，占全球產(chǎn)量的80%以上，銻礦的開(kāi)采已造成以華南為主要礦區(qū)的嚴(yán)重尾礦污染。因此，迫切需要制定Sb尾礦污染場(chǎng)地修復(fù)策略。微生物介導(dǎo)的Sb（V）還原具有重要的環(huán)境意義，考慮到尾礦中有機(jī)碳含量相對(duì)較低，而Sb（V）和還原性硫（S）的含量相對(duì)較高，化能自養(yǎng)菌可能在尾礦中Sb的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)揮重要作用。然而，迄今為止鑒定出的具有Sb（V）還原能力的細(xì)菌（SbRB）十分有限。雖然現(xiàn)有研究已經(jīng)證明化學(xué)自養(yǎng)Sb（V）還原與H2或CH4的氧化有關(guān)，但這些電子供體與嚴(yán)重污染的尾礦位點(diǎn)的相關(guān)性較低。
基于以上研究進(jìn)展，本研究假設(shè)Sb（V）的自養(yǎng)還原與作為電子供體的還原S的氧化相結(jié)合，可能代表了Sb尾礦中微生物介導(dǎo)的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，并由此展開(kāi)以下研究。
研究方法
樣品采集于湖南錫礦山銻污染地區(qū)。分別采集了銻尾礦、鄰近土壤、水稻和河流沉積物四種不同類型的樣品。以銻污染尾礦樣品構(gòu)建微宇宙（Microcosm），通過(guò)穩(wěn)定同位素探測(cè)（SIP）錨定具有S氧化、Sb還原潛能的微生物。測(cè)定所有樣本的理化性質(zhì)以驗(yàn)證銻尾礦樣本中的S氧化、Sb還原潛能。此外，本研究還通過(guò)宏基因組測(cè)序揭示SIP鑒定的S氧化Sb還原的功能型微生物的代謝能力。
實(shí)驗(yàn)對(duì)象：銻尾礦、鄰近土壤、水稻和河流沉積物
測(cè)序區(qū)域：多樣性組成譜測(cè)序（16S rRNA基因V4區(qū)）；宏基因組鳥(niǎo)槍法測(cè)序
測(cè)序方法：Illumina MiSeq + HiSeq
研究發(fā)現(xiàn)，在尾礦微環(huán)境的培養(yǎng)過(guò)程中，只有在Sb+S處理中，Sb（V）從水相中幾乎完全去除，且在最終濃度為0.3 mM的Sb+S處理下觀察了Sb（III）的產(chǎn)生。由此表明，在Sb+S處理中，微生物組介導(dǎo)了Sb（V）的還原與S的氧化。同時(shí)，將13C-Sb+S、12C-Sb+S、13C-Sb和12C-Sb分別在27天和45天提取的基因組DNA按相應(yīng)的浮力密度分離為重、輕組分，運(yùn)用DNA-SIP方法及擴(kuò)增子測(cè)序手段鑒定可能的S氧化SbRB。結(jié)果顯示，在第45天Sb+S處理中，編碼Sb（V）還原途徑蛋白的推測(cè)基因arrA和anrA在重質(zhì)組分中比輕質(zhì)組分中富集。12C-Sb+S處理輕組分中脫硫弧菌相對(duì)豐度較低，而在13C-Sb+S處理的重質(zhì)組分中富集，表明其具有耦合S氧化和Sb還原的代謝潛能。
圖1 硫氧化銻還原的地球化學(xué)過(guò)程
圖2 SIP微宇宙培養(yǎng)中篩選基因的定量分析
圖3 不同SIP組分中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬的相對(duì)豐度
通過(guò)對(duì)S-氧化Sb（V）還原富集源的宏基因組組裝基因組（MAGs）進(jìn)行檢索，表征了脫硫弧菌（Desulfurivibrio MAG04）的代謝潛能。脫硫弧菌屬和Desulfobulbaceae科的其他菌種通過(guò)非典型的氧化型dsr途徑來(lái)進(jìn)行S氧化。研究發(fā)現(xiàn)，與典型的傳統(tǒng)反向dsr（rdsr）和還原型dsr基因相比，氧化型dsr基因表現(xiàn)出高度保守性。關(guān)鍵基因acsB（乙酰輔酶A合成酶）（從CO2合成乙酰輔酶A）和acsM（乙酰輔酶A合成酶）（將乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為乙酸）的存在進(jìn)一步證明了MAG04具有將無(wú)機(jī)碳固定到生物質(zhì)中的能力。
宏基因組學(xué)分析進(jìn)一步評(píng)估了Desulfurivibrio spp.的相關(guān)代謝潛力。在MAG04、4個(gè)envMAGs和Deltaproteobacteria菌株MLMS-1中，發(fā)現(xiàn)了Sb還原（anrA）基因。用于S氧化的氧化型dsr基因在所有脫硫弧菌相關(guān)基因組/MAGs中具有高度保守性，表明在環(huán)境中S氧化對(duì)脫硫弧菌屬的重要性。此外，MAG04編碼了其他可能促進(jìn)寡營(yíng)養(yǎng)尾礦中脫硫弧菌生長(zhǎng)和代謝的性狀；固氮基因簇nifHDK和高親和力磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因簇pstSABC的存在表明其能夠消耗生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分。研究結(jié)果證實(shí)，自養(yǎng)S-氧化Sb還原脫硫弧菌是尾礦生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生有機(jī)碳和生物可利用氮的初級(jí)生產(chǎn)者。
圖4 與MAG-04相關(guān)的脫硫弧菌編碼的代謝過(guò)程
圖5 錫礦山銻污染場(chǎng)地環(huán)境分布及脫硫弧菌的地球化學(xué)性質(zhì)
圖6. 脫硫弧菌相關(guān)基因的泛基因組分析
研究發(fā)現(xiàn)了脫硫弧菌（Desulfurivibrio spp.）介導(dǎo)的一種新型生物地球化學(xué)過(guò)程——硫（S）氧化與銻（Sb）還原耦合。脫硫弧菌的分布與S和Sb的濃度相關(guān)，其相對(duì)豐度在Sb尾礦中的濃度較高，而在土壤、稻田和河流沉積物等周邊環(huán)境中的濃度相對(duì)較低。此外，驅(qū)動(dòng)S氧化與Sb（V）還原耦合潛能的功能基因，分別由非典型的亞硫酸氧化還原酶（dsr）和砷酸鹽還原酶（arrA）或銻酸鹽還原酶（anrA）編碼。通過(guò)闡明相關(guān)酶催化的S氧化與Sb還原的生物地球化學(xué)過(guò)程，拓展了對(duì)Sb的生物地球化學(xué)循環(huán)的基本認(rèn)識(shí)，有助于提高Sb尾礦的生物地球化學(xué)修復(fù)效益。
本研究的測(cè)序工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
文章索引：
Sun X, Kong T, Li F, H?ggblom MM, Kolton M, Lan L, Lau Vetter MCY, Dong Y, Gao P, Kostka JE, Li B, Sun W. Desulfurivibrio spp. mediate sulfur-oxidation coupled to Sb(V) reduction, a novel biogeochemical process. ISME J. 2022 Feb 7. doi: 10.1038/s41396-022-01201-2. Epub ahead of print. PMID: 35132119.
