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    甲烷如何影響環境中砷的遷移?浙大學者找到一條新的轉化途徑

    發布時間:2020-12-04來源:浙大新聞辦作者:柯溢能661

    甲烷是第二大溫室氣體,其廣泛存在于濕地、海洋等自然生境以及水稻田、厭氧消化池等人工系統。同時,甲烷也是一種有效的生物碳源和能源,能夠維持微生物的生長和代謝,并驅動如碳、氮、硫等元素的生物地球化學循環,推動生物圈的進化與發展。

    近日,浙江大學環境與資源學院科研團隊聯合中國科學院城市環境研究所和德國圖賓根大學應用地球科學中心,率先揭示了甲烷厭氧氧化耦合砷還原現象,提出了可能的代謝機理,并進一步闡明了該途徑對環境污染、糧食安全以及生態健康的潛在影響,對于理解甲烷厭氧氧化的生物學機制和防控環境重金屬污染具有重要的啟示意義。

    這一研究于近日刊登在國際知名期刊《自然·地球科學》(Nature Geoscience),第一作者為浙江大學環境與資源學院博士生石凌棟,通訊作者為浙江大學環境與資源學院趙和平教授和唐先進副教授。


    環境中砷遷移轉化的新途徑

    趙和平教授團隊長期從事水污染控制相關研究。硝態氮是城市污水及地下水中的一種重要污染物,微生物可利用污水中COD為碳源通過反硝化作用將之還原為氮氣從而實現污染物去除。當碳源不足時,則需要為微生物添加外源碳源以實現反硝化過程,這既增加了成本,也帶來了二次污染風險。

    2013年,國外科學家偶然發現,有些微生物可以利用溫室氣體甲烷為唯一碳源和電子供體實現反硝化?!斑@一發現給了我們很大的啟示,甲烷作為污水處理的中間產物,同時又是自然環境中大量存在的物質?!壁w和平介紹,“如果能找到更多這類微生物,既能利用導致溫室效應的甲烷,又能去除水體中硝氮等一系列氧化態污染物,就兩全其美了?!?/span>

    沿著這個思路,趙和平團隊與唐先進等合作,在富含甲烷的濕地實地取樣,并結合同位素示蹤的異位培養,試圖富集培養更多此類功能微生物。實驗中他們發現了甲烷氧化耦合砷還原現象,在這個轉化過程中,甲烷被氧化成為二氧化碳,同時環境中常見的重金屬砷,從五價結合態轉變成了更易遷移、更易溶解也更具毒性的三價砷(圖1)。

    與其它氧化態污染物還原不同,這種價態轉變并不是好事?!壁w和平說,“甲烷可能會帶來砷的還原,這種現象大家沒關注過。環境中大量水溶性砷的生成,會因為流動性和遷移性增加從而增加生態毒性風險。比如在水稻田中大量存在則會被作物吸收,長出砷超標的水稻,引發食品安全問題,需要引起足夠的重視?!?/span>

    1. 甲烷厭氧氧化耦合砷還原的化學計量學關系


    甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學機制

    在甲烷厭氧氧化耦合砷還原的過程中,研究發現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對不同微生物的種間電子傳播方式知之甚少。研究人員利用比較定量PCR技術和宏基因組學分析,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的功能微生物,并重構了甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學代謝通路。結果表明甲烷氧化古菌首先通過逆向產甲烷途徑活化甲烷并獲得電子,隨后電子被傳遞到細胞周質中的砷還原酶或者共生的砷還原菌中,實現進一步的砷還原(圖2)。

    2. 甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學代謝機理

    也就是說,電子從一個細胞跑到另一個細胞,而多血紅素色素蛋白就扮演了運送電子的“擺渡車”角色。趙和平認為,多血紅素色素蛋白是實現微生物種間協作的充分條件,未來可以利用含有這類蛋白的微生物,為研發環境污染高效修復的生物技術提供方案。


    甲烷厭氧氧化促進全球的砷釋放

    利用同位素標記的模擬原位實驗,研究人員發現在自然環境中甲烷厭氧氧化會促進土壤結合態砷酸鹽向水溶性更高的亞砷酸鹽轉化,從而溶解在水環境中更易被生物利用。其中,甲烷厭氧氧化貢獻了26.4至49.2%的砷釋放,對生態健康以及作物安全產生了重大的影響(圖3)。進一步對全球環境樣本進行分析,發現甲烷厭氧氧化耦合砷還原廣泛分布于各種生境中,可能會極大推動環境砷污染的遷移轉化,從而影響后續的糧食生產和人類活動,需要引起足夠的重視。

    3. 甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生態影響和全球分布

    趙和平介紹,下一步研究將致力于富集功能微生物,從基因、酶學等多維度多層次進一步揭示生物學機理,并更系統更全面地評估該生物代謝途徑對人類生產生活的影響,以期為科學問題的解決和防控政策的制定提供豐富的理論和實驗支撐,也為相應環境污染控制技術研發提供理論依據。

    該研究得到了國家自然科學基金、浙江省杰出青年項目和國家重點研發專項的支持。

    論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41561-020-00659-z

    (文 柯溢能/圖片由受訪人提供)

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