矿山修复新视角——微生物介导的硫氧化耦联砷还原过程
Research Article，June-2024, ISME Journal, [IF 10.8]
原文链接：
https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae110
第一作者：孙晓旭、陈启智
通讯作者：孙蔚旻
主要单位：广东省科学院生态环境与土壤研究所
- 成果简介 -
近日，广东省科学院生态环境与土壤研究所孙蔚旻研究团队在环境领域著名学术期刊ISME Journal上发表了题为“Microbially mediated sulfur oxidation coupled with arsenate reduction within oligotrophic mining-impacted habitats”的论文。文中首次在尾矿生境中揭示了存在硫氧化砷还原耦联循环过程，并证明自养硫氧化微生物是矿中异化砷还原（dissimilatory arsenate reduction）过程的主要驱动者。并利用稳定同位素探针（DNA-SIP）技术结合宏基因组分箱组装技术，成功鉴定了参与该过程的关键微生物——Sulfuricella、Ramlibacter和Sulfuritalea。此外，通过基因组挖掘扩展了潜在的硫氧化砷还原菌的范畴，包括了8个纲共56个属的微生物，其中包含多个Burkholderiaceae和Rhodocyclaceae科相关的菌属。定量了硫氧化在我国南方多处尾矿中的占比，证实硫氧化砷还原菌是场地内的主要As(V)还原菌。此项研究成果扩大了我们对寡营养砷污染场地化能自养As(V)还原过程的理解，也为未来矿山尾矿的修复实践提供了新的视角。
- 引言 -
砷 (As) 是一种广泛分布的有毒类金属。自然存在的砷主要以硫化矿石（如雄黄As4S4、雌黄As2S3）的形式存在，其通过自然或人为活动（金属开采）释放到水生环境中，并迅速扩散到更广泛的地区并污染周围环境，对人类健康构成巨大威胁。微生物砷还原过程能将五价砷（As(V)）还原为毒性和迁移性更强的三价砷（As(III)），是推动砷从污染土壤和尾矿中释放的关键过程。尽管目前异养As(V)还原过程已得到广泛研究，但自养As(V)还原过程及其机制研究仍相对不足。在寡营养砷污染环境中，有机质含量低，异养砷还原过程受到限制，化能自养型微生物占主导地位。砷污染尾矿作为典型的寡营养砷污染场地，具有有机碳含量低且S和As浓度高的特点，这可能有利于硫氧化耦联As(V)还原（SOAsR）过程的发生。然而，目前对于尾矿中是否存在硫氧化砷还原过程，以及这一过程对砷释放的贡献，尚不清楚，需要进一步探究。
- 结果 -
SOAsR过程的地球化学分析
以FK尾矿土作为接种物构建微宇宙培养体系，设置添加As(V)和S2O32-处理组（As+S）、灭菌对照组(Sterile As+S)以及只添加As(V)对照组（As-only）和只添加S2O32-处理组（S-only）。As(V)含量的减少和As(III)的积累仅在As+S处理组中出现（图1A），SO442-的累积也仅出现在As-S处理组中（图1B）。同时，As(III)和SO42-的化学计量比约为2:1（图1C），符合预测的反应方程式。结果表明S2O32-的添加促进了As(V)的还原，且硫氧化和砷还原可能存在耦合关系。此外，灭菌对照组中没有检测到As(III)和SO42-的累积，表明尾矿中存在的SOAsR过程主要由微生物介导。
图1：富集培养体系中砷和硫的地球化学分析，（A）As(III)和As(V)浓度变化；（B）SO42-浓度变化；（C）As(III)和SO42-在培养过程中的积累。
尾矿中驱动SOAsR过程的功能微生物
利用DNA-SIP技术，以13C-NaHCO3或12C-NaHCO3为唯一外加碳源，共设置四个处理组（13C-As+S、12C-As+S、13C-As以及 13C-S）以鉴定尾矿中驱动SOAsR过程的关键种群。经超速离心后，检测不同处理组各组分的SSU rRNA基因和砷还原酶基因arrA的相对丰度。发现经培养后，13C-As+S处理组中SSU rRNA和arrA基因在重层的相对丰度显著高于12C对照组，表明功能微生物同化了13C标记物（图2）。
图2：DNA-SIP各组分的（A）SSU rRNA基因和（B）arrA基因的相对丰度。
对选定的重层和轻层DNA进行扩增子测序。结果表明相较于其他组分，Sulfuricella和Thiovirga在13C-As+S处理组的重层DNA中显著富集（图3）。Pseudomonas、Sulfuritalea、Thiobacillus以及Ramlibacter等菌属在13C-As+S处理的重层中同样具有较高的相对丰度。13C-As+S处理重层中的优势菌被鉴定为潜在的硫氧化耦联砷还原功能菌（SOAsRB）。
图3：各处理组重层、轻层组分中优势ASVs的相对丰度。
SOAsRBs的代谢潜力
为进一步探究这些潜在的SOAsRBs的代谢潜能，对13C-As+S处理组的总DNA进行宏基因组测序。利用宏基因分箱组装得到60个非冗余的宏基因组组装基因组(MAGs)。其中包含Sulphicella、Ramlibacter相关MAGs在内，共有5个MAGs (MAG60、MAG12、MAG35、MAG51和MAG31)编码异化As(V)还原酶基因arrAB（图4）。而Sulfuritalea相关MAGs虽然未检测到arrAB基因，但宏基因组序列中鉴定的多个arrA基因序列与Sulfuritalea参考基因组中检索到的arrA序列高度相似并聚类（图5A），且在这些含有arrA的contigs中编码的其他ORF也与Sulphitalea的序列密切相关，因此其arrA基因的缺失可能是由于不完全分箱导致。进一步对它们的硫氧化遗传潜力进行表征，发现Sulfuricella、Ramlibacter和Sulfuritalea相关MAGs编码有完整的硫代硫酸盐氧化通路(SOX, M00595)的一系列基因（图4）。此外，在泛基因组分析中，编码反向异化亚硫酸盐还原酶基因(rdsr)在Sulfuricella和Sulfuritalea相关基因组中普遍存在。结合As(V)还原酶arrAB基因的存在和DNA-SIP结果，我们认为Sulfuricella、Ramlibacter和Sulfuritalea是驱动硫氧化砷还原功能菌。
图4：宏基因组组装基因组(MAGs)的代谢潜能。
SOAsRBs的系统发育多样性和地理分布
通过基因组挖掘技术，探索潜在的SOAsR细菌的系统发育多样性。为确保结果的准确性，基因组挖掘过程中认为同时编码arrABDE基因簇的基因组被认为是具有砷还原功能。在370个GTDB参考基因组中检测到As(V)还原潜能(图5A)，其中约30%（114个基因组）也编码硫氧化基因（即soxB、反向dsr和氧化型dsr）。arrA基因序列在Burkholderiaceae (35 个基因组)和 Rhodocyclaceae (19个基因组)系统发育过程中具有保守性，从而排除其砷还原功能为近期通过水平基因转移获得的可能性。
进一步对我国南方17个尾矿环境样品进行宏基因组分析，量化SOAsRBs的相对丰度,发现SOAsRBs约占尾矿中As(V)还原种群总数的87%，是尾矿砷还原的主要贡献者（图5B）。综合上述结果，表明微生物介导的硫氧化耦联砷酸盐还原过程对寡营养的矿尾区环境中砷的生物地球化学循环具有重要意义。
图5：（A）潜在硫氧化砷还原菌（SOAsRBs）的系统发育多样性及（B）其在尾矿环境宏基因组中的相对丰度。
参考文献
Xiaoxu Sun, Qizhi Chen, Max M Häggblom, Guoqiang Liu, Tianle Kong, Duanyi Huang, Zhenyu Chen, Fangbai Li, Baoqin Li, Weimin Sun, Microbially mediated sulfur oxidation coupled with arsenate reduction within oligotrophic mining-impacted habitats, The ISME Journal, 2024;, wrae110, https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae110.
- 作者简介 -
第一作者
广东省科学院生态环境与土壤研究所
孙晓旭
副研究员
美国佐治亚理工学院博士毕业，现为广东省科学院生态环境与土壤研究所副研究员。主要从事矿山污染场地的元素循环过程及其环境效应的机理研究，以第一/通讯作者身份发表于ISME journal （2篇），EST （7篇），WR (1篇)等期刊，曾获广东省环境协会一等奖、广东省土壤学会优秀青年科学家奖和科技奖一等奖。
广东省科学院生态环境与土壤研究所
陈启智
硕士
本文共同第一作者，硕士研究生 (导师：刘国强教授，孙蔚旻研究员)。主要研究方向为土壤微生物在重金属生物地球化学循环中的作用。
通讯作者
广东省科学院生态环境与土壤研究所
孙蔚旻
研究员
广东省科学院土壤污染治理与水土保持国际合作创新中心主任，华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心副主任，中组部海外高层次人才，广东省卓越青年团队带头人，广东省珠江人才计划青年拔尖人才，基金委创新群体核心成员，2012年毕业于密西根州立大学环境工程博士学位，随后在新泽西罗格斯大学从事博士后研究。主要围绕环境组学、DNA-SIP技术、重(类)金属与有机污染物的微生物代谢机制等方面开展了大量研究，相关成果已发表高水平SCI论文一百余篇，第一/通讯作者论文90篇，主要收录在ISME J（2篇）、ES&T（15篇）、WR、GCA、EM等环境微生物学权威期刊。
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