根际微界面砷磷生物化学转化的分子机理与生物有效性

Arsenic (As) and phosphorus (P) are chemical analogs and are both of great environmental concern. To minimize their adverse impacts on the environment and to improve food quality, it is important to understand the biogeochemical processes affecting their bioavailability in soils. Using the arsenic hyperaccumulator Pteris vittata as a unique model plant, this interdisciplinary research will investigate the molecular and mechanistic aspects of biochemical processes impacting As and P transformation in the rhizosphere and their uptake by plants. .. Building upon extensive preliminary data, our goals are to understand，under different levels of As-stress，the role of root exudates and bacteria on As/P biotransformation in the rhizosphere of As-sensitive and As-tolerant plants. Specifically, we will:..?.Determine the role of phytic and oxalic acids in solubilizing mineral As/P in the rhizosphere; .?.Investigate the role of plant phytase in mineralizing organic P in the rhizosphere; .?.Examine the ability of culturable As-tolerant bacteria in using organic/inorganic P (phytate/phosphate rock) as the only P source in the rhizosphere; and .?.Explore the role of arsenic reduction by As-tolerant bacteria on arsenic availability in the rhizosphere. .. This innovative research combines laboratory macroscopic experiments with novel microscopic techniques and molecular biology. Rhizopot/hydroponic experiments will quantify root exudates collected using Rhizon suction samplers from As-contaminated soils and pot/liquid media experiments will test the ability of As-resistant bacteria in using phytate and phosphate rock as P sources and in reducing arsenate. Three plants will be used: As-tolerant P. vittata, As-sensitive plant (Pteris ensiformis), and common plant tomato (Solanum lycopersicum). Advanced analytical techniques will be used to collect and speciate arsenic in soils and plants (DGT，HPLC-ICP-MS and XAS), analyze root and bacterial exudates (HPLC, EC, GF, and SDS-PAGE), and molecularly fingerprint bacteria and emzymes (NMR，PCR and 16 rRNA).

砷和磷的环境污染问题日益突出，引起广泛关注。了解砷磷在土壤-植物-微生物微界面的生化转化过程对减少环境危害提高食品安全有重要意义。本项目以耐砷植物蜈蚣草、砷敏感植物剑叶凤尾蕨、常见植物西红柿为研究对象，用先进分析技术（DGT、HPLC-ICPMS和XAS）为手段测定土壤植物中砷磷形态，以现代生化技术（NMR、SDS-PAGE、PCR、16rRNA）为依据分析分泌物及分离鉴定耐砷菌、植酸酶、还原酶，研究在不同程度砷胁迫下，根系分泌物和根际微生物控制砷磷生化转化的分子机理及对有效性的影响。目的在于1）了解根系分泌物（如植酸和草酸）在活化土壤矿质态砷磷的作用及机制；2）阐明根系分泌物植酸酶矿化土壤有机磷（如植酸）的分子机理；3）明确根际细菌对土壤低效态无机磷和有机磷（如磷矿粉和植酸）的活化能力及过程；4）探明根际细菌还原能力对土壤砷形态和有效性的影响，为砷磷的环境污染修复提供理论依据和技术支持。

砷是一种有毒的化学元素，而其同族元素磷则是一种重要的营养元素。了解砷磷在土壤-植物-微生物微界面的生物转化过程对减少环境危害提高食品安全有重要意义。本项目以砷超富集植物蜈蚣草和井栏边草、砷非超积累植物银脉凤尾蕨和非蕨类植物番茄为植物模型研究根系分泌物影响含砷矿物的形态特征及化学行为。应用现代化学与分子生物学手段（同步辐射技术、LC-MS-MS、HPLC-ICP-MS、HPLC、GFAAS、液相-电喷雾四级杆飞行时间质谱等）探讨砷污染胁迫时植物根系分泌物对根际土壤矿物中砷磷的活化、赋存形态、空间分布和植物吸收的影响机制。此外，还通过砷老化土壤的盆栽实验和经典微生物学方法研究不同类型土壤及外加磷矿石时蜈蚣草根际微生物的群落变化及功能基因对环境因子的响应机制，并研究了蜈蚣草根际及不同组织中微生物多样性及对砷转化的影响。研究表明，植酸和草酸是蕨类植物主要的根系有机酸，且蕨类植物根系分泌植酸受砷诱导。植酸溶矿能力较强，蜈蚣草根系分泌物可有效溶解磷灰石、FeAsO4等难溶矿物，促进营养元素的获取、吸收和利用。此外，我们的研究还表明，在高砷胁迫下，与普通植物类似，蜈蚣草也会通过高效的AsIII外排协助砷解毒，而蜈蚣草的根际菌则可能在AsIII氧化方面发挥作用。本研究阐述了蜈蚣草活化根际难溶态矿物，活化Fe、P的方式和相关分子生物学机理，有助于寻求手段提高Fe、P、As的植物吸收，为砷污染土壤的植物修复提供依据，以期提高As污染土壤的植物修复效率。此外，本研究还阐释了磷矿石添加对农田土壤砷行为的影响，可为蜈蚣草在场地修复中的应用提供参考。最后，本研究发现蜈蚣草根际氧化菌丰度远远高于还原菌，明确了这些微生物对蜈蚣草外排的AsIII的氧化作用，同时推测蜈蚣草内生菌可能对蜈蚣草砷还原有促进作用。以上结论不仅弥补了以往对蜈蚣草根际砷转化只植物砷解毒认识的不足，还明确了微生物在协助蜈蚣草富集砷过程中发挥的重要作用，可为后续砷污染土壤的植物-微生物联合修复提供参考。