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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)院科研團隊聯(lián)合中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所和德國圖賓根大學(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理，并進一步闡明了該途徑對環(huán)境污染、糧食安全以及生態(tài)健康的潛在影響，對于理解甲烷厭氧氧化的生物學(xué)機制和防控環(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。

2013年，國外科學(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現(xiàn)反硝化。“這一發(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?！?/p>

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(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。實驗中他們發(fā)現(xiàn)了甲烷氧化耦合砷還原現(xiàn)象，在這個轉(zhuǎn)化過程中，甲烷被氧化成為二氧化碳氧氣報警器，同時環(huán)境中常見的重金屬砷，從五價結(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砷。

“與其它氧化態(tài)污染物還原不同，有時這種價態(tài)轉(zhuǎn)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(xiàn)象大家沒關(guān)注過。環(huán)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(tài)毒性風(fēng)險。比如在水稻田中大量存在則會被作物吸收甲烷，長出砷超標的水稻，引發(fā)食品安全問題，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。科研人員對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胞周質(zhì)中的砷還原酶或者共生的砷還原菌中，實現(xiàn)進一步的砷還原。

趙和平認為，多血紅素色素蛋白是實現(xiàn)微生物種間協(xié)作的充分條件，未來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。

利用同位素標記的模擬原位實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)在自然環(huán)境中甲烷厭氧氧化會促進土壤結(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。進一步對已報道的全球環(huán)境樣本數(shù)據(jù)進行分析，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，可能會極大推動環(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，需要引起足夠的重視。

趙和平介紹，團隊下一步研究將致力于富集功能微生物甲烷檢測儀，從基因、酶學(xué)等多維度多層次進一步揭示生物學(xué)機理，并更系統(tǒng)更全面地評估該生物代謝途徑對人類生產(chǎn)生活的影響，以期為科學(xué)問題的解決和污染防控政策的制定提供豐富的理論和實驗支撐甲烷，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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