通讯作者：孙蔚旻研究员，孙晓旭副研究员
通讯单位：广东省科学院生态环境与土壤研究所
成果简介
图文摘要
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和东华大学环境科学与工程学院高品教授团队联合在《EnvironmentalScience&Technology》上发表了题为“DifferentialmechanismsofmicrobialAs(III)andSb(III)oxidationandtheircontributiontotailingsreclamation”的论文。该研究通过DNA稳定同位素探测，确定了硫杆菌属（Thiobacillus）和根瘤菌属（Rhizobium）是尾矿中As(III)和Sb(III)氧化的关键功能种群。结合了动力学和转录分析揭示了微生物驱动不同的氧化机制对As(III)和Sb(III)进行氧化，导致了Sb(III)的氧化优先于As(III)。值得注意的是，微生物的As(III)和Sb(III)氧化过程均可促进尾矿中的养分获取（固氮、溶磷），但是Sb(III)氧化对养分获取的推动作用更为有效。研究结果不仅为微生物As(III)和Sb(III)氧化机制及其各自对养分获取贡献提供了新的见解，也为尾矿复垦提供了重要的理论支撑。
研究进展
1引言
2图文导读
2.1尾矿微生物对As(III)和Sb(III)的氧化过程
该研究通过尾矿As(III)和Sb(III)氧化微宇宙模拟实验，发现尾矿中存在调控As(III)和Sb(III)氧化的微生物（图1）。在只添加As(III)或Sb(III)处理（T-As或T-Sb）中微生物对Sb(III)的氧化速率显著高于其对As(III)的氧化速率。在同时添加As(III)和Sb(III)处理中（T-As+Sb），尾矿微生物优先氧化Sb(III)，而延后氧化As(III)。
2.2尾矿As(III)和Sb(III)氧化关键功能微生物的鉴定
采用DNA-SIP技术鉴定了As(III)和Sb(III)氧化关键功能微生物。结果发现与T-As–12C处理和T-Sb–12C处理的轻层相比，硫杆菌属（Thiobacillus）和根瘤菌属（Rhizobium）成员在T-As–13C处理和T-Sb–13C处理的重层中均得到了显著富集（图2），这说明了硫杆菌属（Thiobacillus）和根瘤菌属（Rhizobium）是负责As(III)和Sb(III)氧化的关键功能微生物。
2.3生物As(III)和Sb(III)氧化的动力学和遗传机制
通过纯菌分离培养技术，从尾矿中分离得到了一株关键As(III)和Sb(III)氧化功能菌株（Rhizobiumsp.AsSb1）。该功能菌株的全基因组分析发现其编码多个亚砷酸盐氧化酶基因aioAB和一个锑氧化酶基因anoA（图3），表明了Rhizobiumsp.AsSb1具有As(III)和Sb(III)氧化潜能。
Rhizobiumsp.AsSb1的As(III)和Sb(III)氧化动力学分析，发现Sb(III)氧化的Vmax显著高于As(III)氧化的Vmax（图4A），而且Sb(III)氧化的Km高于As(III)氧化的Km，表明与As(III)相比，Rhizobiumsp.AsSb1对Sb(III)的亲和力更强。这一观察结果解释了在As(III)和Sb(III)共污染情况下优先氧化Sb(III)的现象。Sb(III)和As(III)氧化的不同氧化动力学可能是由不同的代谢途径引起的。进一步的转录分析证实了这一假设。与尾矿接种培养类似，与R-As相比，R-As+Sb处理中观察到Sb(III)优先被氧化和As(III)氧化的延长滞后期（图4B）。仅在As(III)和Sb(III)的活性氧化过程中观察到aioA和anoA表达的上调（图4C）。在R-As+Sb处理中，anoA在初始阶段上调，与Sb(III)的氧化同时发生。仅在后期阶段观察到aioA的上调，与As(III)的氧化相对应。这些结果表明了微生物偏好于调控anoA基因对Sb进行氧化，调控aioA基因进行As氧化。
图4Rhizobiumsp.AsSb1对As(III)或Sb(III)的氧化作用。（A）Rhizobiumsp.AsSb1氧化As(III)或Sb(III)的米氏动力学。（B）基因表达实验中As和Sb的形态分析。（C）Rhizobiumsp.AsSb1氧化As(III)和Sb(III)过程中功能基因（aioA和anoA）的转录表达
2.4生物As(III)和Sb(III)氧化促进营养物质获取
As(III)和Sb(III)的氧化都是产能过程，可以促进多种生物地球化学过程，例如固氮和溶磷。在该研究中使用As(III)或Sb(III)作为能源，测试了尾矿微生物群落的固氮和溶磷潜力。结果发现As(III)和Sb(III)的氧化都显著促进了固氮和溶磷过程，而且在Sb(III)氧化条件下，固氮和溶磷的效率均显著高于As(III)氧化条件，这是因为与As(III)氧化相比，Sb(III)氧化的氧化速率更快且能量产率更高，表明了在尾矿复垦过程中Sb(III)是一种比As(III)更有效的能源。
本研究除了挖掘功能微生物种群外，重点比较了微生物As(III)和Sb(III)氧化的机制，并量化了它们各自对营养物获取过程的效率。与As(III)氧化相比，Sb(III)氧化是一个在动力学和热力学上更有利的过程，导致As(III)和Sb(III)共存时优先氧化Sb(III)。两种氧化过程都有利于营养物质的获取，但优先氧化和较高的能量产出使Sb(III)氧化比As(III)氧化对养分获取更为突出。化能自养已被认为是尾矿中微生物的重要生活方式，该研究比较了各个能量源（AsvsSb）的机制和生态贡献，在未来对As和Sb污染环境的修复工作中应予以考虑。
作者介绍
孔天乐，博士在读研究生，现于东华大学环境科学与工程学院与广东省科学院生态环境与土壤研究所联合培养（导师：高品教授，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。
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ISMEjournal（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。