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科研人員找到甲烷影響環(huán)境中砷遷移的新轉(zhuǎn)化途徑

近日，浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所和德國(guó)圖賓根大學(xué)應(yīng)用地球科學(xué)中心，率先揭示了甲烷厭氧氧化耦合砷還原現(xiàn)象，提出了可能的代謝機(jī)理，并進(jìn)一步闡明了該途徑對(duì)環(huán)境污染、糧食安全以及生態(tài)健康的潛在影響，對(duì)于理解甲烷厭氧氧化的生物學(xué)機(jī)制和防控環(huán)境重金屬污染具有重要的啟示意義。這一研究成果刊登在《自然·地球科學(xué)》期刊。

論文第一作者為浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院博士生石凌棟，通訊作者為浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院教授趙和平和副教授唐先進(jìn)。

2013年，國(guó)外科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，一類古菌可以利用溫室氣體甲烷為唯一碳源和電子供體實(shí)現(xiàn)反硝化?！斑@一發(fā)現(xiàn)給了我們很大的啟示，甲烷作為污水處理的中間產(chǎn)物，同時(shí)又是自然環(huán)境中大量存在的物質(zhì)?！壁w和平介紹，“如果能找到更多這類微生物，既能利用導(dǎo)致溫室效應(yīng)的甲烷氣體，又能去除水體中硝氮等一系列氧化態(tài)污染物，就兩全其美了。”

沿著這個(gè)思路，趙和平團(tuán)隊(duì)與唐先進(jìn)等合作，在富含甲烷的濕地實(shí)地取樣，并結(jié)合同位素示蹤的異位培養(yǎng)甲烷，試圖富集培養(yǎng)更多此類功能微生物。實(shí)驗(yàn)中他們發(fā)現(xiàn)了甲烷氧化耦合砷還原現(xiàn)象，在這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，甲烷被氧化成為二氧化碳氧氣報(bào)警器，同時(shí)環(huán)境中常見(jiàn)的重金屬砷，從五價(jià)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變成了更易遷移、更易溶解也更具毒性的三價(jià)砷。

“與其它氧化態(tài)污染物還原不同，有時(shí)這種價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變并不是好事。”趙和平說(shuō)，“甲烷可能會(huì)帶來(lái)砷的還原，這種現(xiàn)象大家沒(méi)關(guān)注過(guò)。環(huán)境中大量水溶性砷的生成，會(huì)因?yàn)榱鲃?dòng)性和遷移性增加從而增加生態(tài)毒性風(fēng)險(xiǎn)。比如在水稻田中大量存在則會(huì)被作物吸收甲烷，長(zhǎng)出砷超標(biāo)的水稻，引發(fā)食品安全問(wèn)題，需要引起足夠的重視?！?/p>

在甲烷厭氧氧化耦合砷還原的過(guò)程中，研究發(fā)現(xiàn)存在一類微生物能夠代謝甲烷，并為共生的砷還原菌提供電子?？蒲腥藛T對(duì)不同微生物的種間電子傳播方式知之甚少。

浙大研究人員利用比較定量PCR技術(shù)和宏基因組學(xué)分析，定位了甲烷氧化和砷還原的活性基因，揭示了參與耦合反應(yīng)的功能微生物，并重構(gòu)了甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學(xué)代謝通路。結(jié)果表明甲烷氧化古菌首先通過(guò)逆向產(chǎn)甲烷途徑活化甲烷并獲得電子，隨后電子被傳遞到細(xì)胞周質(zhì)中的砷還原酶或者共生的砷還原菌中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的砷還原。

趙和平認(rèn)為，多血紅素色素蛋白是實(shí)現(xiàn)微生物種間協(xié)作的充分條件，未來(lái)可以利用含有這類功能蛋白的微生物，為研發(fā)環(huán)境污染高效修復(fù)的生物技術(shù)提供方案。

利用同位素標(biāo)記的模擬原位實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)在自然環(huán)境中甲烷厭氧氧化會(huì)促進(jìn)土壤結(jié)合態(tài)砷酸鹽向水溶性更高的亞砷酸鹽轉(zhuǎn)化，從而溶解在水環(huán)境中更易被生物利用。進(jìn)一步對(duì)已報(bào)道的全球環(huán)境樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)甲烷厭氧氧化耦合砷還原廣泛分布于各種生境中，可能會(huì)極大推動(dòng)環(huán)境砷污染的遷移轉(zhuǎn)化，從而影響后續(xù)的糧食生產(chǎn)和人類活動(dòng)，需要引起足夠的重視。

趙和平介紹，團(tuán)隊(duì)下一步研究將致力于富集功能微生物甲烷檢測(cè)儀，從基因、酶學(xué)等多維度多層次進(jìn)一步揭示生物學(xué)機(jī)理，并更系統(tǒng)更全面地評(píng)估該生物代謝途徑對(duì)人類生產(chǎn)生活的影響，以期為科學(xué)問(wèn)題的解決和污染防控政策的制定提供豐富的理論和實(shí)驗(yàn)支撐甲烷，也為研發(fā)相應(yīng)環(huán)境污染控制技術(shù)提供理論依據(jù)。

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