2022-03-01
近期，派森诺与广东省科学院生态环境与土壤研究所合作，在Nature集团旗下的微生态领域知名期刊《The ISME Journal》发表重要研究成果，通过对矿山尾矿开采及其造成的锑（Sb）污染相关研究，构建了微宇宙（Microcosm），利用稳定同位素探测、多样性组成谱测序和宏基因组学研究，发现了尾矿环境中具有锑代谢潜能的功能型微生物，并鉴定了一种新型生物地球化学过程——硫（S）氧化与Sb（V）还原耦合。
本研究刷新了我们对锑生物地球化学循环的基本认识，阐明了微生物代谢锑金属的新途径，为锑尾矿的生物地球化学修复策略提供了指引，可喜可贺！
研究背景
锑（Sb）是一种广泛分布于岩石圈的有毒金属。中国作为锑矿大国，占全球产量的80%以上，锑矿的开采已造成以华南为主要矿区的严重尾矿污染。因此，迫切需要制定Sb尾矿污染场地修复策略。微生物介导的Sb（V）还原具有重要的环境意义，考虑到尾矿中有机碳含量相对较低，而Sb（V）和还原性硫（S）的含量相对较高，化能自养菌可能在尾矿中Sb的迁移转化过程发挥重要作用。然而，迄今为止鉴定出的具有Sb（V）还原能力的细菌（SbRB）十分有限。虽然现有研究已经证明化学自养Sb（V）还原与H2或CH4的氧化有关，但这些电子供体与严重污染的尾矿位点的相关性较低。
基于以上研究进展，本研究假设Sb（V）的自养还原与作为电子供体的还原S的氧化相结合，可能代表了Sb尾矿中微生物介导的一个关键过程，并由此展开以下研究。
研究方法
样品采集于湖南锡矿山锑污染地区。分别采集了锑尾矿、邻近土壤、水稻和河流沉积物四种不同类型的样品。以锑污染尾矿样品构建微宇宙（Microcosm），通过稳定同位素探测（SIP）锚定具有S氧化、Sb还原潜能的微生物。测定所有样本的理化性质以验证锑尾矿样本中的S氧化、Sb还原潜能。此外，本研究还通过宏基因组测序揭示SIP鉴定的S氧化Sb还原的功能型微生物的代谢能力。
实验对象：锑尾矿、邻近土壤、水稻和河流沉积物
测序区域：多样性组成谱测序（16S rRNA基因V4区）；宏基因组鸟枪法测序
测序方法：Illumina MiSeq + HiSeq
研究发现，在尾矿微环境的培养过程中，只有在Sb+S处理中，Sb（V）从水相中几乎完全去除，且在最终浓度为0.3 mM的Sb+S处理下观察了Sb（III）的产生。由此表明，在Sb+S处理中，微生物组介导了Sb（V）的还原与S的氧化。同时，将13C-Sb+S、12C-Sb+S、13C-Sb和12C-Sb分别在27天和45天提取的基因组DNA按相应的浮力密度分离为重、轻组分，运用DNA-SIP方法及扩增子测序手段鉴定可能的S氧化SbRB。结果显示，在第45天Sb+S处理中，编码Sb（V）还原途径蛋白的推测基因arrA和anrA在重质组分中比轻质组分中富集。12C-Sb+S处理轻组分中脱硫弧菌相对丰度较低，而在13C-Sb+S处理的重质组分中富集，表明其具有耦合S氧化和Sb还原的代谢潜能。
图1 硫氧化锑还原的地球化学过程
图2 SIP微宇宙培养中筛选基因的定量分析
图3 不同SIP组分中优势细菌属的相对丰度
通过对S-氧化Sb（V）还原富集源的宏基因组组装基因组（MAGs）进行检索，表征了脱硫弧菌（Desulfurivibrio MAG04）的代谢潜能。脱硫弧菌属和Desulfobulbaceae科的其他菌种通过非典型的氧化型dsr途径来进行S氧化。研究发现，与典型的传统反向dsr（rdsr）和还原型dsr基因相比，氧化型dsr基因表现出高度保守性。关键基因acsB（乙酰辅酶A合成酶）（从CO2合成乙酰辅酶A）和acsM（乙酰辅酶A合成酶）（将乙酰辅酶A转化为乙酸）的存在进一步证明了MAG04具有将无机碳固定到生物质中的能力。
宏基因组学分析进一步评估了Desulfurivibrio spp.的相关代谢潜力。在MAG04、4个envMAGs和Deltaproteobacteria菌株MLMS-1中，发现了Sb还原（anrA）基因。用于S氧化的氧化型dsr基因在所有脱硫弧菌相关基因组/MAGs中具有高度保守性，表明在环境中S氧化对脱硫弧菌属的重要性。此外，MAG04编码了其他可能促进寡营养尾矿中脱硫弧菌生长和代谢的性状；固氮基因簇nifHDK和高亲和力磷酸转运蛋白基因簇pstSABC的存在表明其能够消耗生长所需的养分。研究结果证实，自养S-氧化Sb还原脱硫弧菌是尾矿生态系统中产生有机碳和生物可利用氮的初级生产者。
图4 与MAG-04相关的脱硫弧菌编码的代谢过程
图5 锡矿山锑污染场地环境分布及脱硫弧菌的地球化学性质
图6. 脱硫弧菌相关基因的泛基因组分析
研究发现了脱硫弧菌（Desulfurivibrio spp.）介导的一种新型生物地球化学过程——硫（S）氧化与锑（Sb）还原耦合。脱硫弧菌的分布与S和Sb的浓度相关，其相对丰度在Sb尾矿中的浓度较高，而在土壤、稻田和河流沉积物等周边环境中的浓度相对较低。此外，驱动S氧化与Sb（V）还原耦合潜能的功能基因，分别由非典型的亚硫酸氧化还原酶（dsr）和砷酸盐还原酶（arrA）或锑酸盐还原酶（anrA）编码。通过阐明相关酶催化的S氧化与Sb还原的生物地球化学过程，拓展了对Sb的生物地球化学循环的基本认识，有助于提高Sb尾矿的生物地球化学修复效益。
本研究的测序工作由上海派森诺生物科技有限公司完成。
文章索引：
Sun X, Kong T, Li F, Häggblom 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.
