基于环境基因组和转录组学的高砷地下水沉积物微生物群落的生物地球化学作用的研究

原生高砷地下水-沉积物界面微生物群落在高砷地下水的形成中起关键作用，但是其具体机制、以及砷的释放与铁、硫等化合物的生物地球化学行为互相偶联的微生物学机制目前还知之甚少。由于99%以上的环境微生物难以被人工培养，所以本课题将采用环境基因组和转录组技术研究该微生物群落的组成和功能。选取大同盆地高砷地下水为研究对象，用16SrRNA和磷脂脂肪酸(PLFA)生物标记法分析该微生物群落的组成，并建立微生物群落结构与砷的地球化学特征的关联性；建立一典型环境微生物的宏基因组和宏转录组文库，通过一系列的筛选和测序技术，确定环境微生物与砷、铁、硫化合物代谢有关的代表性基因的序列、以及基因组重要基因的表达谱，借助生物信息学手段，重建环境微生物群落代表性的物质和能量代谢途径，初步揭示地下水砷与铁、硫元素生物地球化学行为互相偶联的微生物学机制。本课题的研究将为高砷地下水的预测、改良和低砷地下水的勘测提供科学依据。

研究表明，原生高砷地下水沉积物中微生物群落在高砷地下水的形成中起关键作用，但是其具体机制目前还知之甚少。本课题以大同盆地高砷污染区不同地层沉积物中的微生物为研究对象，地球化学特征分析表明该地区为典型的高砷污染区。首先对不同地层垂直分布的可培养微生物的群落结构进行了分析，发现这些地层的微生物组成十分独特，微生物的多样性与样品中砷含量并不直接相关，而是受多种环境因素影响；对20 m地层沉积物的微生物群落结构进行了系统分析，发现其多样性非常丰富；数据表明，该地层是重要的砷价态转化与迁移地层。对代表性的微生物菌株介导的砷的氧化或还原的功能进行了测定，发现微生物参与了砷的价态转化，具有氧化、还原功能的微生物在同一地层中同时存在，其综合效应受环境因素的调节。研究了磷酸根和铁化合物对一些可培养微生物砷氧化和还原能力的影响，发现磷酸根可显著抑制Arthrobacter sp. C5对砷的还原作用，这表明农业施磷肥的活动可以抑制不溶于水的矿物砷转化为溶于水的砷化合物，从而抑制砷向地下水中的迁移，或有助于高砷地下水的减毒。本研究还发现了Arthrobacter sp. B6对As(III)的氧化和对As(V)的还原是一个交替进行的动态过程；Fe(III)可显著提高该菌对As(V)的还原能力和细胞中砷还原酶的表达量，第一次从机制方面解释了为什么铁的存在可以显著促进砷的转化和向地下水中的释放。此外，还研究了微生物与砷的相互作用，发现As(III)或As(V)可以极大地缩短Micrococcus sp. F1菌株生长周期中的延滞期；进一步试验结果表明，As(V)可以使该细菌在过氧化氢存在下的存活率提高3倍。这些结果充分说明，As(V)可以极大地提高某些细菌抗逆境的能力。这个发现颠覆了人们通常以为的砷对细胞有毒的概念，具有重大的科学意义。综上所述，本研究对于揭示大同盆地高砷地下水的形成机制、以及环境因子对砷价态转化的影响具有重要的科学意义。