大同盆地高砷沉积物中微生物砷氧化酶与还原酶基因的多样性及其活性调节的研究

Microbial arsenate reduction and arsenite oxidation play essential roles in the formation of high-arsenic groundwater. However, the molecular mechanisms of actions remain to be characterized. To address this issue, we propose a research project that focuses on arsenate-reducing and arsenite-oxidizing bacteria present in the sediments from different depths in Datong Basin. PCR strategy was used to amplify the nucleotide sequences of the arsenic oxidases and reductases using degenerate primers. The PCR products were cloned and sequenced. Based on the obtained partial gene sequences of various arsenic oxidases and reductases, quantitative PCR was used to determine the abundances of the genes of the arsenic oxidases and reductases. Based on these investigations, we will enrich and screen the microorganisms which are sensitive to environmental factors or those which have strong ability of arsenic oxidation/reduction. These bacteria will be used as model bacteria for investigating how the environmental factors affect the bacteria-mediated arsenic transformation, as well as the molecular basis of the actions. According to the obtained results, the full-length nucleotide sequences of the genes of arsenic oxidases/reductases from the model bacteria or from the megagenomic DNAs will be cloned, sequenced and functionally characterized. Moreover, we will examine the interactions between the model bacteria, such as dissimilatory As(V)-respiring bacteria, and the high-arsenic sediments/minerals. We will also test how the environmental factors affect the interactions. Our work will gain insight into the molecular basis of the formation of high arsenic groundwater, which is mediated by microoganisms in Datong basin, and reveal how the environmental factors affect the bacteria-mediated arsenic oxidation and reduction.

高砷沉积物中微生物介导的砷的氧化和还原过程在高砷地下水的形成中起关键作用，但其具体的机制还完全不清楚。本课题将以大同盆地高砷沉积物中的微生物为研究对象，首先用PCR技术扩增并克隆不同地层微生物群落中砷氧化酶和还原酶的基因序列，确定砷氧化酶和还原酶的基因种类，用定量PCR法测定这些酶基因的丰度；根据砷氧化酶和还原酶的多态性数据，采用适当的策略富集或筛选各种具有较强砷氧化或还原活力的模式微生物种，分析模式微生物的砷氧化/还原功能、环境因子对其功能的影响及其分子基础；从环境宏基因组DNA或模式微生物中克隆主要砷氧化酶和砷还原酶全长基因序列，用基因工程法制备重组酶蛋白，研究酶活性；并研究模式微生物与不溶性含砷矿物/高砷沉积物的相互作用及其对环境因子的响应。这些研究将揭示大同盆地高砷沉积物中微生物功能群的砷氧化/还原功能及其对环境因子响应的分子基础，为高砷地下水的改良和发展趋势的预测提供理论依据。

在大同盆地存在高砷地下水，但是目前对其形成的机制并不清楚。本项目以该盆地高砷沉积物为研究对象，开展了地质微生物学研究，取得了一系列原创性研究成果。共发表12篇SCI期刊论文(平均影响因子3.4)，获得国家发明专利1项。发现从浅层到深层的高砷沉积物中广泛存在砷的氧化和砷呼吸性还原细菌，它们可以显著促进砷的转化、溶解与释放。较系统研究了砷氧化微生物生物膜的形成过程、活性及其对环境因子的响应，揭示了不同砷氧化细菌在砷胁迫下生存方式的多样性，在此基础上筛选出了构建生物膜反应器的理想菌株，并构建了在国际上领先的具有重大应用前景的砷氧化细菌生物膜反应器，被授予国家发明专利。对高砷沉积物中砷甲基化微生物的多样性、活性及其对环境因子的响应进行了研究，首次揭示了从浅层到深层高砷沉积物均存在砷甲基化微生物，并发现铵根、Fe与有机碳是影响微生物砷甲基化活性的关键环境因子。在系统分析高砷沉积物与高砷土壤砷呼吸性还原微生物(DARPs)的多样性与活性的基础上，发现硝酸根可以显著抑制微生物催化的砷的溶解与释放，而硫酸根、铵根、锰离子和磷酸根则显著促进微生物介导的砷的溶解与释放。采用富集分离技术，获得数十株新的可培养砷氧化细菌和砷呼吸性还原细菌，发现它们往往具有多功能的特性；分析了典型菌株的基因组结构，找到了它们多功能性的分子基础。分析了代表性耐砷微生物与天然含砷矿物毒砂和臭葱石的相互作用，发现毒砂能被显著还原溶解，并提出了其可能的分子机制。为了进行对比研究，采集了热泉与石门砷污染土壤样品，发现这些环境中砷氧化与砷呼吸性还原微生物在多样性和活性功能方面与高砷沉积物相比明显不同。研究成果对于深刻理解高砷沉积物中微生物介导的砷的生物地球化学循环以及高砷地下水形成机制具有重要意义，研究成果可以有效指导制定正确的高砷地下水微生物修复策略。