摘要：近日，中南大学冶金与环境学院郭朝晖/徐锐团队在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Novel Photoelectron-Assisted Microbial Reduction of Arse

中南大学郭朝晖/徐锐团队ES&T内封面:

矿区水系沉积物中由光电子协助的微生物砷酸盐还原新机制

第一作者：郭朝晖（中南大学冶金与环境学院教授）

第二作者：曹杰（中南大学冶金与环境学院博士研究生）

通讯作者：徐锐（中南大学冶金与环境学院副教授）

合作单位：湖南大学环境科学与工程学院、中南林业科技大学生命与环境科学学院

本论文成果同时有幸当选期刊内封（Supplementary Journal Cover）

成果简介

近日，中南大学冶金与环境学院郭朝晖/徐锐团队在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Novel Photoelectron-Assisted Microbial Reduction of Arsenate Driven by Photosensitive Dissolved Organic Matter in Mine Stream Sediments”的研究论文。文中报道了一种水系沉积物中由天然光电子介导的微生物砷酸盐还原新途径，从微生物光电营养代谢角度为砷的生物地球化学循环及其环境效应研究提供了新视角。

全文速览

矿区水系沉积物中砷酸盐（As(V)）的微生物还原作用是影响砷迁移转化的重要因素，该过程主要依赖异养微生物利用溶解有机质（DOM）作为碳源驱动。本研究揭示了一种新的As(V)还原途径，即光敏性DOM产生的光电子可以刺激多种非光合微生物进行As(V)还原（PEAsR）。通过微宇宙培养实验，我们观察到DOM产生的光电子可以转移到沉积物土著微生物中，从而使As(V)的还原率提高了50%。与As(V)还原相关的两个标志基因（arrA和arsC）显著增加，表明该过程的微生物特性而非单纯的光电化学过程。此外，光电子并不会刺激光能自养微生物的生长，而是使Cupriavidus、Sphingopyxis、Mycobacterium和Bradyrhizobium等一系列非光合微生物显著富集了10~50倍。宏基因组分箱表明这些微生物具有参与光电子辅助As(V)还原的基因潜力，如呼吸型As(V)还原基因、解毒As(V)还原基因、二甲基亚砜还原酶家族基因、细胞色素c以及多种重金属抗性基因，但不具备完整的光合系统。研究结果为光电子利用与非光合As(V)还原微生物之间的相互作用提供了新的见解，可能对矿区沉积物中砷污染的迁移产生重要影响。

引言

砷（As）在矿区沉积物中的积累主要通过降雨和地表径流从矿物和尾矿中释放并迁移。砷酸盐（As(V)）和亚砷酸盐（As(III）是两种主要赋存形态，在富砷且缺氧的沉积物中，As(V)的微生物还原是增加砷毒性和迁移性的重要驱动力。

沉积物中丰富的溶解性有机质（DOM）具有广泛的光化学特征，使其可能作为一种替代光敏剂。然而，目前尚不清楚光敏性DOM在As(V)微生物还原中的作用。此外，光敏剂与电子受体之间的光电子转移效率极低（

基于以上考虑，本研究假设光敏性DOM产生的光电子可能刺激土著非光合微生物进行As(V)原位。实验包括（1）通过批次微宇宙培养实验探讨光敏性DOM和光照对微生物As(V)还原的联合效应；（2）通过双室电化学微宇宙确认光电极产生的光电子向生物阴极传递并用于As(V)还原；（3）通过qPCR和宏基因组分箱明确参与光电As(V)还原的特定微生物及其代谢机制。结果报道了由光敏性DOM和非光合微生物驱动的光电As(V)还原新途径，突显了DOM作为光敏剂促进砷迁移的新作用。

图文导读

光照和光敏性DOM共同增强了微生物As(V)还原（图1）：在连续4个周期的微宇宙培养中通过测定As(V)和As(III)变化曲线，发现当缺乏光敏性DOM、光照或灭菌处理的系统中As(V)还原率低（约7%）。相比之下，光敏性DOM和光照的组合则显著提高了As(V)的还原率至15%。

从光敏性DOM到As(V)还原微生物之间的光电子传递链证据（图2）：通过双室电化学实验证实了光敏性DOM在阳极光照下生成了光电流（0.7 μA/cm²），光电子作为唯一电子源实现了生物阴极的微生物As(V)还原。该光电传递效率与光敏性DOM（电子供体）浓度、As(V)（电子受体）浓度和光强成正比。

微生物对光电As(V)还原的响应（图3、图4）：定量PCR分析显示在PEAsR系统中As(V)还原基因（arrA和arsC）显著增加12到273倍，表明光敏性DOM增强了As(V)的生物还原而非光电化学还原。16S rRNA测序表明，Cupriavidus、Sphingopyxis、Mycobacterium和Bradyrhizobium等非光合微生物在PEAsR系统中被显著富集，它们可能通过捕获光电子实现As(V)还原。相比之下，传统的光合微生物仅在无光敏性DOM组显著富集，表明光电子主要用于支持As(V)还原而非支持光合微生物生长。

微生物光电As(V)还原潜在机制（图5）：宏基因组分箱组装了Cupriavidus、Sphingopyxis、Mycobacterium和Bradyrhizobium等PEAsR敏感菌群的基因组草图（MAGs），分析发现它们含有大量的砷还原酶ArrA/ArsC编码基因、DMSO还原酶家族编码基因以及细胞色素c编码基因，可能共同在捕获光电子与还原As(V)的过程中行使了重要作用。

微生物光电As(V)还原（PEAsR）的概念模型（图6）：本研究提出了基于光敏性DOM的微生物光电As(V)还原新途径概念模型，表明自然存在的DOM可作为光敏剂，在光照下产生光电子，支持非光合微生物对As(V)的还原。该过程可能增加采矿区沉积物中As的迁移性和毒性，揭示了光电子在环境重金属循环中的重要性。

结语

微生物光电As(V)还原（PEAsR）途径揭示了光电子与非光合As(V)还原菌的密切关系，拓展了我们对微生物光电子营养的理解，表明As(V)可作为非光合微生物的光电子受体。自然地，其他变价金属如Sb(V)、V(V)、Cr(VI)也可能成为微生物光电子营养还原的潜在对象。这些发现为矿区沉积物中金属的生物地球化学循环机制提供了新见解。降雨常常给矿区水系引入大量新鲜DOM，以往被认为是作为碳源或者载体与微生物相互作用，影响着金属的迁移转化。本研究进一步表明DOM还可作为光敏剂促进微生物As(V)还原。未来需要进一步解析更多样的DOM组分与光化学特性对沉积物中砷污染迁移转化的影响。

笔者时常惊讶于“微生物间没有严格的界限”。为了生存，他们会做任何必要的事情：“有糖吃糖、有矿吃矿、有光吃光”。尽管目前回答“传统化能营养/光能营养之外的微生物光电营养模式是否广泛存在？”还为时尚早，但这也恰恰是研究环境微生物的乐趣所在❤

论文信息：Novel Photoelectron-Assisted Microbial Reduction of Arsenate Driven by Photosensitive Dissolved Organic Matter in Mine Stream Sediments

DOI：10.1021/acs.est.4c09647

供稿：中南大学冶金与环境学院郭朝晖/徐锐团队

主要作者简介

曹杰，中南大学冶金与环境学院在读博士研究生，环境科学与工程专业。围绕有色矿区重金属迁移转化机制和污染暴露等开展相关研究工作。先后主持/参与中央高校研究创新项目、中央水污染防治专项资金地下水项目、国家重点研发计划等课题，已在Environ. Sci. Technol、Environ. Pollut等环境/地学领域知名期刊上发表SCI论文10篇。

郭朝晖，中南大学二级教授、冶金与环境学院博士生导师，中国环境科学学会重金属污染防治专业委员会委员，国家“十四五”土壤污染防治先行区建设指导帮扶专家库专家。长期从事场地土壤-地下水重金属污染形成机制与源解析、矿山生态修复工程、固废资源化及其功能材料研发相关工作。主持国家重点研发计划项目、中央水污染防治专项资金地下水项目、国家自然科学基金等课题30余项，发表高水平论文150多篇，授权发明专利12项。

徐锐，中南大学冶金与环境学院特聘副教授、博士生导师，环境科学与工程系副系主任，湖南省杰出青年基金获得者，湖南省生态学会理事，入选2023年全球前2%顶尖科学家榜单。主要围绕环境生物技术、矿区逆境微生物组学、重金属污染土壤生态修复等方面开展研究，主持国家自然科学基金、中国博士后基金等10余项，在Appl. Environ. Microbiol.、Environ. Microbiol.、Environ. Sci. Technol等环境/微生物领域期刊发表SCI论文110余篇，H指数46。

封绘：Cover Art由湖南艺术职业学院美术系副教授聂敦格创作。

个人主页：https://rsc.arthn.com/2021_08/31_00/content-18296.html

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来源：微生物组