可溶性有机质对土壤微生物介导砷挥发的影响及分子机制

Arsenic (As) volatilization drives the biogeochemical circle of As, and also shows great potential to remediate As-contaminated environment. Dissolved organic matter (DOM) as the active components of organic matter can significantly change the mobility and speciation of As and the micro flora in soils. However, little information of DOM affecting As volatilization conducted by soil microorganisms and its related mechanisms is available. In this project, air-flowing device will be used to trap volatile arsenide. The effects of different sourced DOM on As volatilization will be analyzed and the possible mechanisms of soil physicochemical factors influencing As volatilization will also be explored. By employing real-time fluorescent quantitative PCR and high-throughput sequencing, the microbial community structure and the abundance of functional genes capable As reduction and methylation in soils after spiking with DOM will be determined and the relative mechanisms will be unclosed. Furthermore, with the use of 13C isotopic tracing and the synchrotron based X-ray absorption near edge structure (XANES) and extended x-ray absorption fine structure (EXAFS), the contribution of methyl from DOM to As methylation in soils will be studied and the possible molecular mechanisms of As binding carbon in the trapped volatile arsenide will be uncovered. The observations of this project will be conducive to understanding the microbial driving mechanisms of As biogeochemical circle, and also will shed light on the future remediation of As-contaminated soils using microorganisms.

砷挥发是砷生物地球化学大循环的驱动力，同时在砷污染环境修复方面表现出很大的应用潜力。可溶性有机质（DOM）作为有机质中相对活跃的组分，显著影响着土壤中砷的迁移、转化及微生物区系，但其对土壤微生物介导砷挥发的影响及分子机制目前尚不明确。本项目拟采用气体流动装置对挥发态砷进行捕获，分析添加不同来源DOM后土壤中砷挥发量差异，探讨土壤理化因子变化影响砷挥发的可能机理；利用实时定量PCR及高通量测序等技术，从分子生物学水平揭示添加DOM后土壤微生物群落结构变化、砷甲基化功能基因丰度变化影响砷甲基化进程的相关机制；利用13C同位素示踪及基于同步辐射的X射线吸收近边结构光谱与扩展边X射线吸收精细结构光谱，探讨源自DOM的甲基对微生物甲基化砷的贡献，从分子水平证实砷与碳的成键并揭示相关机制。研究结果有助于阐明砷生物地球化学大循环的微生物驱动机制，对今后砷污染土壤的微生物挥发修复亦具有重要的科学意义。

砷挥发是砷生物地球化学大循环的驱动力，同时在砷污染环境修复方面表现出很大的应用潜力。可溶性有机质（DOM）作为有机质中相对活跃的组分，显著影响着土壤中砷的迁移、转化及微生物区系，但其影响土壤微生物挥发砷的效应及分子机制目前尚不明确。本项目采用气体流动装置对挥发态砷进行捕获，研究了不同来源的DOM激发土壤砷甲基化差异机制。研究表明，（1）源自猪粪源DOM对土壤砷甲基化激发效应显著高于牛粪源DOM、鸡粪源DOM和水稻秸秆源DOM。DOM施用后显著促进土壤中砷挥发且随时间延长砷挥发量显著增加，当培养时间达到13周时，猪粪源DOM处理捕获的挥发态砷含量达到2.5µg，分别是水稻秸秆源DOM（0.93µg）和对照（0.26µg）的2.7和9.6倍。相比对照及水稻秸秆源DOM处理，猪粪源DOM显著增加了砷甲基化功能微生物丰度，增加了各培养时间下砷甲基化功能微生物Rhodopseudomonas、Sphaerobacter和Streptomyces丰度，从而促进了砷的甲基化进程。进一步分析发现DOM分子碳形态如活性碳官能团丰度增加可显著促进砷甲基化进程；（2）以胡敏酸、腐里酸及柠檬酸为代表性DOM，以期进一步明确不同分子碳形态对砷甲基化及挥发的影响差异，研究发现含有丰富活性碳官能团的富里酸和柠檬酸处理显著促进稻田土壤砷甲基化转化及挥发，综合来看，柠檬酸处理中砷甲基化功能微生物Sphaerobacter和Stackebrandtia相对丰度分别为14.8%和7.2%，均显著高于对照、胡敏酸及腐里酸处理；（3）以砷甲基化功能微生物为研究对象，利用iTRAQ技术发现微生物胞内亚甲基四氢叶酸还原酶活性提高，可通过增加S-腺苷甲硫氨酸含量的方式为砷甲基化过程提供更多的甲基基团，从而提高砷甲基化效率。利用XANES研究发现，微生物胞内同时存在的逆向去甲基化过程可能在一定程度上限制砷的甲基化转化；（4）利用密度梯度离心及STXM技术从亚细胞水平研究发现，微生物胞内细胞壁外吸附、液泡区隔及胞内隔膜固定是其固定砷及砷解毒的重要机制。总体来看，研究结果将有助于阐明砷生物地球化学大循环的微生物驱动机制，对今后砷污染土壤的微生物挥发修复亦具有重要的科学意义。