南京农大赵方杰教授团队揭示了土壤微生物单加氧酶在有机砷抗性机制中的作用等4则进展（国内土壤科研进展2021年第10期）
导 读
南京农大赵方杰教授团队揭示了土壤微生物单加氧酶在有机砷抗性机制中的作用等4则进展。
来源：根据南京农大资环学院、中国科学院、中科院华南植物园等单位网站近期相关报道及作者供稿整理。
赵方杰教授团队揭示了土壤微生物单加氧酶在有机砷抗性机制中的作用
微生物在砷的生物地球化学循环中扮演着重要角色。由于砷的毒性，微生物进化出不同的代谢机制来应对其毒害，这些机制包括氧化、还原、甲基化、脱甲基、挥发、外排等。一些微生物能将无机三价砷[As(III)]甲基化产生毒性低的甲基五价砷。然而，砷甲基化过程的中间产物单甲基三价砷[MAs(III)]具有比As(III)更强的毒性。有意思的是，有些微生物通过产生剧毒的MAs(III)抑制其它微生物生长，将MAs(III)当做一种原始的抗生素。为了抵抗这种抗生素，微生物需要进化出对MAs(III)进行解毒的机制。
资环学院赵方杰团队从砷污染水稻土分离到一株耐砷的细菌Ensifer adhaerensST2，发现该菌株含有一个新的砷抗性基因簇arsRVK，其中编码的ArsV是一个具有未知功能的单加氧酶。异源基因表达实验表明，arsV基因可以赋予砷敏感大肠杆菌AW3110更高的MAs(III)抗性和氧化MAs(III)的能力。通过纯化蛋白的酶学实验证明，在NADPH和FAD或FMN存在的条件下，ArsV蛋白可以将MAs(III)氧化为毒性低的MAs(V)（图1），并且可以将三价锑[Sb(III)]氧化为毒性低五价锑Sb(V)。arsRVK基因簇存在于多种细菌的基因组中（图1）。通过对稻田土壤的宏基因组数据分析表明，arsV同源基因的丰度为0.12 ~ 0.25 ppm，与另一个已报道的MAs(III)氧化酶基因（arsH）丰度相似。这些结果表明，ArsV是一种新型的MAs(III)和Sb(III)的解毒酶，编码arsV的基因广泛存在于土壤细菌中。
图1. 土壤中广泛存在arsV基因及ArsV氧化解毒MAs(III)的机制
近日，该研究结果以“Oxidation of organoarsenicals and antimonite by a novel flavin monooxygenase widely present in soil bacteria”为题目在Environmental Microbiology在线发表。张隽副教授为论文第一作者，赵方杰教授为通讯作者。资环院蔡枫博士、硕士生吴亦飞和王子萍、广东省生态环境技术研究所孙晓旭博士、英国利兹大学肖可青博士、以及佛罗里达国际大学的Barry P. Rosen教授和陈健博士参与了部分研究工作。本项目研究得到了国家自然科学基金（41930758和31970108）等项目的资助。
论文链接
https://doi.org/10.1111/1462-2920.15488
研究揭示青藏高原草地生态系统碳氮循环对草地退化的响应
青藏高原草地生态系统对水土保持、区域和全球气候以及C固存等方面具有重要意义。自20世纪90年代以来，气候变化和过度放牧导致青藏高原约70%的草地发生了不同程度的退化，这将对高寒草地的C、N循环产生重要影响。稳定同位素（δ13C和δ15N）被广泛用于研究调节生态系统C和N过程的生物地球化学机制。然而目前，学界对青藏高原高寒草地δ13C和δ15N对草地退化的响应知之甚少，这不利于全面了解退化引起的C和N循环变化。
基于此，中国科学院西北生态环境资源研究院科研人员于2014年7月至9月对青藏高原不同退化程度下高寒草地植被及土壤稳定C和N同位素、土壤性质和植物群落组成进行了调查和分析，结果显示，植被和土壤δ13C和δ15N随退化程度的加剧而增加。进一步研究发现，杂类草植物的植被和土壤δ13C高于禾本科和莎草科植物，退化后杂类草比例增加是植被和土壤δ13C增加的主要原因；杂类草植物的C/N比低于禾本科和莎草科植物，退化后杂类草比例增加使植物凋落物C/N比降低，微生物活性和氮素有效性提高，从而增加了土壤矿化，增加了土壤中的无机氮（NH4+和NO3-），退化后杂类草比例增加使土壤有机质C/N比降低是植被和土壤δ15N增加的主要原因。δ15N表明，随着退化加剧，植物可利用N主要来源于土壤微生物对大气的N固定，；在未退化和中度退化退化之前，植物可利用的N则主要来源于有机质的矿化。
相关研究成果以Plant community changes determine the vegetation and soil δ13C and δ15N enrichment in degraded alpine grassland为题，发表在Land Degradation & Development上。西北研究院博士生李成阳为论文第一作者，副研究员彭飞为论文通讯作者。研究工作得到第二次青藏高原综合科学考察研究、国家自然科学基金项目、中科院青年创新促进会等的资助。
华南植物园发现氮富集促进陆地生态系统土壤有机碳固存新机制
大气氮（N）沉降显著影响了陆地生态系统土壤有机碳动态。土壤团聚体在土壤结构稳定和土壤有机碳碳固持中起重要作用。尽管学者对N素富集影响植物非根际土壤碳动态变化开展了诸多研究，但土壤团聚体对N素富集的响应及其对有机碳固存的潜在机制尚不清楚。
中科院华南植物园生态中心侯恩庆博士在旷远文研究员的指导下，联合南京大学科研人员，分析了中国陆地生态系统76个N添加实验数据，评估了N富集对土壤团聚体及其碳固存的影响。结果表明，N素富集显著增大了土壤颗粒的平均重量直径（+10%），提高了大团聚体比例（+6%），但降低了黏粉粒比例 （-9%）。在所研究的生态系统中，大团聚体碳含量对N素富集响应（+15%）均大于非根际土壤碳含量（+5%），但微团聚体和黏粉粒碳含量对N富集的响应不显著，且N富集对土壤团聚体效应值大小因生态系统类型和施肥策略而异。此外，N富集导致的土壤pH值持续下降与土壤团聚体碳含量密切相关。N素富集通过提高大团聚体碳含量、酸化土壤和抑制微生物对土壤有机质分解途径促进颗粒有机碳的积累。研究推论，大气N沉降可促进中国陆地生态系统土壤团聚体的形成及其固碳效应。
该研究从土壤团聚体的角度提出了大气N沉降增加背景下我国陆地生态系统土壤有机碳积累的新机制，有望为未来深入研究大气N沉降对陆地生态系统碳循环的影响机制提供参考。
相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Global change biology（《全球变化生物学》） (IF=8.555) 上。研究得到国家自然科学基金项目、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）核心团队项目和国家重点研发项目的研究资助。
论文链接
https://doi.org/10.1111/gcb.15604
图1. 氮富集对土壤团聚体及其有机碳含量的影响
图2. 概念模型：土壤团聚体及其碳固存对氮富集的潜在响应机制
广东省科学院生态环境与土壤研究所孙蔚旻团队Environment International: 砷、锑污染土壤微生物的生态适应性机制
第一作者：李永斌
通讯作者：孙蔚旻
通讯单位：广东省科学院生态环境与土壤研究所
论文DOI: 10.1016/j.envint.2021.106522
图文摘要
成果简介
近日，广东省科学院生态环境与土壤研究所孙蔚旻研究团队在环境微生物领域期刊《Environment International》发表学术论文一篇，题目为“Arsenic and antimony co-contamination influences on soil microbial community composition and functions: Relevance to arsenic resistance and carbon, nitrogen, and sulfur cycling”。该文章揭示了土壤微生物在砷、锑污染的极端环境下的生态适应性机制。
全文速览
广东省科学院生态环境与土壤研究所孙蔚旻研究员课题组采用分析地球化学法揭示了湖南石门雄黄矿区不同污染程度土壤中多种生源要素及重（类）金属（砷、锑）污染物的分布特点；结合16S rRNA扩增子测序、宏基因组测序、随机森林模型和共现性网络等方法，系统解析了砷、锑污染对微生物群落结构和功能的影响，同时也证明微生物通过调控砷、锑生物地球化学循环与碳、氮和硫循环相互作用来提高其对极端环境的适应力。此研究为利用微生物修复重金属污染场地奠定了理论基础。
背景介绍
湖南石门雄黄矿区是亚洲最大的雄黄矿区，长期的采矿活动造成了砷和锑的严重污染，同时也影响了土著微生物群落。近年来，该地采用生态修复的方法在一定程度上缓解了环境污染，随之，土著微生物结构和功能也发生相应的变化。本研究选取石门雄黄矿区两个不同污染程度的土壤样品（重污染区（S1）和轻污染区（S2）），比较不同污染程度土壤中微生物群落结构和功能的差异。土壤微生物群落在砷和锑污染生境下的代谢潜力研究较少，而本研究以此为切入点，利用宏基因组学揭示了土壤微生物在此环境下的代谢潜力及生态适应性机制，同时选择了碳、氮、硫循环相关的功能基因来评估它们与地球化学参数的相互作用。
文章亮点
1. 雄黄矿开采活动导致砷、锑共污染。
2. 雄黄矿开采活动影响微生物群落结构和代谢潜力。
3. 砷、锑共污染能够选择性地富集一些对砷、锑具有抗性的微生物。
4. 微生物通过调控砷、锑与碳、氮和硫循环相关功能基因的相互作用来提高其生态适应性。
图文解析
图1 不同污染程度（重污染区（S1）和轻污染区（S2））的土壤样品中生源要素以及砷、锑污染物含量比较。总体而言，S1场地砷、锑、硫酸根浓度更高、pH值更高、TOC更低，硝酸根、铁浓度没有显著差异（*p < 0.05, **p < 0.01）。
图2 土壤微生物群落多样性的比较。S1场地微生物多样性大于S2场地，其中PD whole tree指标达到了显著差异水平。
图3 PCoA证明不同污染程度的微生物群落具有显著的差异。
图4 重点分析了在S1场地显著富集的菌株（属水平），包括Sphingomonas、Nocardioides、Galella、Marmorcola、Bacillus、Lysobacter、Sulfurifustis和Streptomyces。
图5 微生物与地球化学参数的共线性网络表明，Sbexe和Sbsrp对微生物的影响最大，其次是pH、Asexe、Assrp、SO42-、Astot、Sbtot、Fe(II)、TOC、Fetot和NO3-。共线性网络包含5个功能模块，模块II包括Asexe、Assrp和Astot。上述结果表明砷、锑对微生物群落产生实质性影响。
图6 宏基因组分析检测到与砷抗性相关基因：ASNA1、arsR、arsH、ARSC1,arsC、ARSC2,arsC、arsB、aioAB、ACR3。其中ASNA1、arsR和ACR3基因在S1场地富集。分类学分析表明，在S1场地，arsR和ACR3基因主要分类为菌株Nocardioides和Streptomyces。此外，碳、氮、硫循环基因也受到砷、锑污染的影响（补充材料）。
图7 通过统计分析和功能基因分类分析，菌株Nocardioides、Sphingomonas、Streptomyces、Bradyrhizobium和Burkholderia是一些关键物种。随机森林分析表明，上述微生物对砷、锑具有较高的耐受性。
图8 功能基因与地球化学参数的共线性网络图。该网络图包含2个主要的功能模块，其中砷、锑与砷抗性基因（arsC1、ASNA1、aioAB、arsC、arsR和arsB）、碳固定（3-HP/4-HB、rTCA、DC/4-HB、3-HP和Wood-Ljungdahl途径）、氮循环（nasAB、amt、norBC、nifDHK、narGHIJ、narK和nirKS）和硫循环（cysH、cysDN、sir和sqr）相关基因存在显著正相关。
综合以上内容，本研究发现砷、锑污染富集了一些砷、锑抗性微生物（Nocardioides、Sphingomonas、Streptomyces、Bradyrhizobium和Burkholderia）。共线性网络分析揭示了土壤微生物在砷、锑污染的极端环境下的生态适应性机制。上述研究为利用微生物修复重金属污染场地奠定了理论基础。
作者简介
李永斌：助理研究员，2020年毕业于中国农业大学，获得理学博士学位。现为广东省生态环境技术研究所博士后，主要研究方向为环境微生物生态学。相关成果累计发表一作SCI论文7篇，包括Environment International、Biology and Fertility of Soils等期刊。
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ISBN：978-7-04-055369-7
作者：Richard Bardgett
译者：周小奇 王艳芬
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