微生物参与江汉平原高砷地下水形成的分子机制

Evidences indicate that native high arsenic groundwater exists in the Jianghan plain basin in recent years. However, the mechanism for the formation of such high arsenic groundwater in this area remains poorly understood so far. A number of evidences indicate that microbes may play essential roles in the generation of high arsenic groundwater. But the detailed pathways, biogeochemical process and the molecular mechanisms for the valence transformation of arsenic, which are stimulated by microorganisms, remains to be characterized. To address this issue，we propose a research project that focus on the molecular mechanism for the generation of high arsenic groundwater mediated by geomicrobes in Janghan plain basin. We will systematically analyse the structures of the microbial communities in the sediment and aquifer samples taken from different depths in the area using the 16S rDNA library strategy or 454-pyrosequencing technique. GeoChip based strategy will be used to detect the major metabolic pathways occurred in the microbial communities to see if the biogeochemical cycle of arsenic is coupled (or associated) with that of other elements. We will also test the arsenate reducing and arsenite oxidizing activities of the selected cultivated microorganisms isolated from the samples, and describe the novel microbial species with these activities. The arsenite oxidase, arsenate reductase genes and their operons will be cloned, sequenced and functionally characterized. Based on these investigations, we will detect the effect of environmental factors on the arsenic transformation that is stimulated by microorganisms. We believe that our study will enable us to better understand the mechanism of the formation of native high arsenic groundwater in Jianghan plain basin and reveal how the environmental factors affect the arsenic transformation.

近年来，在江汉平原盆地发现原生高砷地下水，但是目前对其形成的机制还知之甚少。大量证据表明，微生物在原生高砷地下水的形成中起关键作用。但是，对微生物参与高砷地下水形成的具体过程和分子机制、以及相关的生物地球化学过程还知之甚少。本课题以江汉平原高砷地下水为研究对象，首先用16S rDNA文库或454测序技术分析不同深度的沉积物和含水层中微生物群落的结构，并用GeoChip技术检测微生物群落中发生的主要物质和能量代谢途径，从而推论微生物介导的砷和其它元素的地球化学行为的关联性；系统检测可培养耐砷微生物的砷氧化或还原功能，并对得到的新的耐砷微生物物种进行鉴定；克隆样品微生物的砷氧化或还原酶基因及其操纵子序列，并验证其功能；在此基础上，研究不同的环境因子对微生物砷氧化或还原功能的影响。本研究对于揭示江汉平原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。

本课题以江汉平原高砷沉积物为研究对象，圆满超额完成了研究计划，取得了一系列原创性的研究成果。地球化学与微生物群落结构分析表明，沉积物中的微生物群落具有独特的多样性，硫酸盐、Fe、TOC和砷浓度是影响微生物群落组成的关键环境因子；所有高砷沉积物中微生物群落均具有明显的砷氧化功能，砷氧化微生物有自养与异养，共鉴定出了114个新的砷氧化酶基因，表明沉积物中的砷氧化微生物具有独特的多样性；从高砷沉积物中富集分离出32株新的砷氧化菌，系统研究了其砷氧化功能、砷释放活性以及2株菌的功能基因操纵子结构，并测定其中3株菌的基因组序列；发现高砷沉积物微生物群落能显著促进沉积物中不溶性砷和铁的溶解、还原和释放；同时，发现硫酸盐明显促进微生物群落介导的砷的溶解与释放；通过富集分离得到两株新的呼吸性砷还原菌Citrobacter sp. A99和Aeromonas sp. JH155，发现前者可以呼吸还原砷、铁与硫代硫酸盐，后者只能呼吸还原砷，两者都能显著促进砷从矿物和沉积物中的溶解与释放，并发现硫酸盐可以明显促进A99介导的砷与铁从含砷矿物中的溶解与释放；系统分析了高砷沉积物中呼吸性砷还原酶（Arr）基因的多样性，发现了2个新的Arr家族和5个新的Arr亚家族，表明多样性极高的呼吸性砷还原微生物共同催化了砷从矿物相向水相的释放；从高砷沉积物分离得到一组独特的砷氧化细菌，构建了一个高效砷氧化生物膜反应器，其对As(III)的氧化效率比其它已经报道的生物膜反应器高6.5~19.0倍，对于高砷地下水的净化处理具有很大的应用前景；分离得到5株耐砷菌新种，并进行了分类学鉴定。综上所述，课题研究系统揭示了江汉平原高砷地下水形成的微生物学机制，并且阐明了一些环境因子对砷从沉积物中溶解与释放的影响；研究成果对于深刻理解富砷沉积物中砷的生物地球化学过程、制定科学的高砷地下水防治策略具有重要的科学意义。