文章信息
第一作者：郭朝晖 教授
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c09647
亮点
• 证实了矿区水系沉积物中存在广泛的光敏性DOM。
• 证实了光电子可以被沉积物土著微生物捕获用于As(V)还原。
• 分析了主要功能菌群的捕光、光电子传递、砷还原、金属抗性等关键代谢机制。
• 提出了微生物光电As(V)还原（PEAsR）的概念模型。
研究进展
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。
主要结果
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
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