近日，中南大学冶金与环境学院郭朝晖团队在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Novel Photoelectron-Assisted Microbial Reduction of Arsenate Driven by Photosensitive Dissolved Organic Matter in Mine Stream Sediments”的研究论文。文中报道了一种水系沉积物中由天然光电子介导的微生物砷酸盐还原新途径，从微生物光电营养代谢角度为砷的生物地球化学循环及其环境效应研究提供了新视角。
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矿区水系沉积物中砷酸盐（As(V)）的微生物还原作用是影响砷迁移转化的重要因素，该过程主要依赖异养微生物利用溶解有机质（DOM）作为碳源驱动。本研究揭示了一种新的As(V)还原途径，即光敏性DOM产生的光电子可以刺激多种非光合微生物进行As(V)还原（PEAsR）。通过微宇宙培养实验，我们观察到DOM产生的光电子可以转移到沉积物土著微生物中，从而使As(V)的还原率提高了50%。与As(V)还原相关的两个标志基因（arrA和arsC）显著增加，表明该过程的微生物特性而非单纯的光电化学过程。此外，光电子并不会刺激光能自养微生物的生长，而是使Cupriavidus、Sphingopyxis、Mycobacterium和Bradyrhizobium等一系列非光合微生物显著富集了10~50倍。宏基因组分箱表明这些微生物具有参与光电子辅助As(V)还原的基因潜力，如呼吸型As(V)还原基因、解毒As(V)还原基因、二甲基亚砜还原酶家族基因、细胞色素c以及多种重金属抗性基因，但不具备完整的光合系统。研究结果为光电子利用与非光合As(V)还原微生物之间的相互作用提供了新的见解，可能对矿区沉积物中砷污染的迁移产生重要影响。
引言
砷（As）在矿区沉积物中的积累主要通过降雨和地表径流从矿物和尾矿中释放并迁移。砷酸盐（As(V)）和亚砷酸盐（As(III）是两种主要赋存形态，在富砷且缺氧的沉积物中，As(V)的微生物还原是增加砷毒性和迁移性的重要驱动力。
微生物As(V)还原途径主要由呼吸型As(V)还原酶ArrA和解毒型As(V)还原酶ArsC介导。支撑这一过程的电子供体包括有机化合物的化能异养呼吸，或者硫化物、氨等还原态无机化合物的化能自养呼吸。近期研究表明，天然光敏剂在阳光下能产生大量光电子，不仅能支持非光合微生物的生长，还可驱动多种物质的微生物还原（如CO、CO2、硝酸盐等）。这是一种不同于化能营养和光能营养的新型微生物光电营养类型，使非光合微生物能够利用光电子作为额外的还原力，为工程应用和环境修复带来新见解。
沉积物中丰富的溶解性有机质（DOM）具有广泛的光化学特征，使其可能作为一种替代光敏剂。然而，目前尚不清楚光敏性DOM在As(V)微生物还原中的作用。此外，光敏剂与电子受体之间的光电子转移效率极低（<2‰），因此早期研究主要通过将导电材料（例如半导体矿物）与模式细菌结合的人工杂化系统来提高实验中的电子转移效率。然而这些杂化系统并不能有效代表自然环境，加之许多光敏材料的高毒性也是不得不考虑的负面因素。因此，沉积物中由土著微生物通过光敏性DOM有效介导的As(V)还原过程仍需探索。
基于以上考虑，本研究假设光敏性DOM产生的光电子可能刺激土著非光合微生物进行As(V)原位。实验包括（1）通过批次微宇宙培养实验探讨光敏性DOM和光照对微生物As(V)还原的联合效应；（2）通过双室电化学微宇宙确认光电极产生的光电子向生物阴极传递并用于As(V)还原；（3）通过qPCR和宏基因组分箱明确参与光电As(V)还原的特定微生物及其代谢机制。结果报道了由光敏性DOM和非光合微生物驱动的光电As(V)还原新途径，突显了DOM作为光敏剂促进砷迁移的新作用。
图文导读
光照和光敏性DOM共同增强了微生物As(V)还原（图1）：在连续4个周期的微宇宙培养中通过测定As(V)和As(III)变化曲线，发现当缺乏光敏性DOM、光照或灭菌处理的系统中As(V)还原率低（约7%）。相比之下，光敏性DOM和光照的组合则显著提高了As(V)的还原率至15%。
从光敏性DOM到As(V)还原微生物之间的光电子传递链证据（图2）：通过双室电化学实验证实了光敏性DOM在阳极光照下生成了光电流（0.7 μA/cm²），光电子作为唯一电子源实现了生物阴极的微生物As(V)还原。该光电传递效率与光敏性DOM（电子供体）浓度、As(V)（电子受体）浓度和光强成正比。
微生物对光电As(V)还原的响应（图3、图4）：定量PCR分析显示在PEAsR系统中As(V)还原基因（arrA和arsC）显著增加12到273倍，表明光敏性DOM增强了As(V)的生物还原而非光电化学还原。16S rRNA测序表明，Cupriavidus、Sphingopyxis、Mycobacterium和Bradyrhizobium等非光合微生物在PEAsR系统中被显著富集，它们可能通过捕获光电子实现As(V)还原。相比之下，传统的光合微生物仅在无光敏性DOM组显著富集，表明光电子主要用于支持As(V)还原而非支持光合微生物生长。
微生物光电As(V)还原潜在机制（图5）：宏基因组分箱组装了Cupriavidus、Sphingopyxis、Mycobacterium和Bradyrhizobium等PEAsR敏感菌群的基因组草图（MAGs），分析发现它们含有大量的砷还原酶ArrA/ArsC编码基因、DMSO还原酶家族编码基因以及细胞色素c编码基因，可能共同在捕获光电子与还原As(V)的过程中行使了重要作用。
微生物光电As(V)还原（PEAsR）的概念模型（图6）：本研究提出了基于光敏性DOM的微生物光电As(V)还原新途径概念模型，表明自然存在的DOM可作为光敏剂，在光照下产生光电子，支持非光合微生物对As(V)的还原。该过程可能增加采矿区沉积物中As的迁移性和毒性，揭示了光电子在环境重金属循环中的重要性。
小结
微生物光电As(V)还原（PEAsR）途径揭示了光电子与非光合As(V)还原菌的密切关系，拓展了我们对微生物光电子营养的理解，表明As(V)可作为非光合微生物的光电子受体。自然地，其他变价金属如Sb(V)、V(V)、Cr(VI)也可能成为微生物光电子营养还原的潜在对象。这些发现为矿区沉积物中金属的生物地球化学循环机制提供了新见解。降雨常常给矿区水系引入大量新鲜DOM，以往被认为是作为碳源或者载体与微生物相互作用，影响着金属的迁移转化。本研究进一步表明DOM还可作为光敏剂促进微生物As(V)还原。未来需要进一步解析更多样的DOM组分与光化学特性对沉积物中砷污染迁移转化的影响。
笔者时常惊讶于“微生物间没有严格的界限”。为了生存，他们会做任何必要的事情：“有糖吃糖、有矿吃矿、有光吃光”。尽管目前回答“传统化能营养/光能营养之外的微生物光电营养模式是否广泛存在？”还为时尚早，但这也恰恰是研究环境微生物的乐趣所在❤
作者简介
论文信息：
Novel Photoelectron-Assisted Microbial Reduction of Arsenate Driven by Photosensitive Dissolved Organic Matter in Mine Stream Sediments
DOI：10.1021/acs.est.4c09647
投稿：中南大学冶金与环境学院郭朝晖/徐锐团队。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有20W+活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。
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