三株耐砷真菌对砷的累积与转化机制研究

利用微生物对砷的累积与挥发来修复或调控砷污染农田土壤已被认为是一种有效且经济的措施。微生物除了通过自身生物体对砷的累积外，还可以转化砷的形态进而影响土壤中砷的毒性，积极开展微生物对砷累积与转化机制的研究对于今后砷污染农田土壤的修复或调控具有重要的科学意义。本项目拟以课题组报道的具有高累积与挥发砷能力的三株耐砷真菌（棘孢木霉、微紫青霉和尖孢镰刀菌）为研究材料，利用高效液相-氢化物发生-原子荧光及同步辐射技术分析真菌作用下砷形态转化的规律，明确砷在真菌细胞内的微区分布，探索砷累积形态与细胞器之间的关系；利用聚丙烯酰胺凝胶电泳及串联质谱技术获得并分析真菌在有/无砷培养条件下的差异表达蛋白，阐明真菌累积与转化砷过程在蛋白质水平的响应机制。本项目旨在从亚细胞和蛋白质水平揭示目标真菌对砷累积与转化的机制，深化利用微生物修复或调控砷污染农田土壤的理论研究。

利用微生物对砷的累积与挥发来修复砷污染环境被认为是一项很具有发展潜力的技术。深入理解微生物对砷形态转化的可能机制有助于这项技术的发展与今后的应用。本项目重点研究了对环境中砷具有高累积与挥发能力的真菌：棘孢木霉、微紫青霉和尖孢镰刀菌对砷的累积与形态转化及其可能的机理。主要获得以下研究成果：（1）利用HPLC-HG-AFS并结合基于同步辐射的XANES技术分析真菌作用下砷形态变化，表明环境中As(V)胁迫下，As(V)能快速地进入目标微生物细胞内，并发生还原与甲基化反应，产物分别为As(III)、一甲基砷（MMA）和二甲基砷（DMA）。当环境中存在As(III)时，目标微生物仍具有较高的As(III)累积与挥发能力，As(III)进入目标微生物细胞后，主要发生甲基化反应同时伴随少量的氧化反应，产物主要为MMA、DMA和少量的As(V)。真菌对细胞内As(III)的外释和甲基化可能是其耐砷的主要机理。此外，借用同步辐射的XRF技术也进一步验证了真菌细胞对环境中砷的累积能力；（2）利用基于同步辐射的STXM技术从亚细胞水平研究了砷的累积，结果表明环境中As(V)胁迫下，砷在三株真菌亚细胞相的分布均呈不均匀性。对于尖孢镰刀菌而言，真菌的隔膜、液泡等细胞相中可能有相对更多的砷分布；对于微紫青霉而言，真菌隔膜可能是累积环境中砷的一个重要场所；（3）利用基于质谱分析的iTRAQ技术从蛋白质水平研究了目标微生物对砷胁迫的响应机制，结果表明环境中As(V)胁迫下，目标微生物棘孢木霉细胞内有6种蛋白质表达量表现上调（大于1.5倍），49种蛋白质表达量下调（小于0.5倍），而在As(III) 胁迫下，目标微生物细胞内有7种蛋白质表达量表现上调，8种蛋白质表达量下调；此外，本项目进一步探索性研究发现，接种目标微生物棘孢木霉到有机质相对较高的土壤中后砷的挥发量相比对照提高了约27倍，而在有机质含量相对较低的土壤中砷挥发仅提高了约2.5倍，相关结果为今后研究的切入点指明了方向；目前，本项目已圆满完成了各项研究任务，发表SCI论文4篇，投稿中SCI论文1篇，后续另有1-2篇SCI论文撰写与发表。本项目培养硕士研究生2名，均已顺利毕业。本项目研究结果，对于深化利用微生物修复或调控砷污染环境的理论基础具有重要的科学意义。