砷代谢基因与砷的相互作用导致了一种“两败俱伤”的局面
期刊：Environmental Pollution
时间：2022.03.01
影响因子：9.988
组学策略：GeoChip/宏基因组
DOI：10.1016/j.envpol.2022.119971
背景 微生物对砷的形态学、移动性和毒性有重要的影响。但是目前微生物对冶炼厂中的砷代谢的应答知之甚少。因此文章就使用宏基因组和砷芯片的方法，根据不同的深度的土样来探索土壤砷的分布与转化。
结果 所有样品中，350个属的微生物的17种基因跟砷代谢相关，如砷还原、砷甲基化、砷呼吸和砷氧化。其中砷还原的代谢基因在丰度前10的与砷代谢微生物中普遍存在，并且在砷代谢基因中占据七到八成，主要影响到五价砷还原到三价砷。随时间流逝，砷还原降低了17个砷代谢基因的丰度。
结论 与砷还原相关的微生物对冶炼厂附近砷的转移和转化有重要的作用，文章对土壤砷的转化形式和精准调控是非常重要的。
关键词：冶炼场、砷代谢微生物、宏基因组、砷芯片
在浓度上，取样地中的砷浓度严重超标，比对照组中的砷浓度高23.15倍，在12中金属元素中达到最高。同时，其他金属浓度在取样地与对照组之间的比例范围只达到0.64-5.46。在0-100cm的污染土中，砷的浓度达到88.93-646.61 mg。砷主要分布在冶炼厂方圆500m左右，污染程度已经超过了可以接受的水平，增加了当地居民患癌的风险。
图1. 在不同深度土壤中，砷在第0日和第70日的形态学变化。与砷代谢相关的物种的平均组成被标注在相应的位置上
在组成上，砷的主要形式是五价砷（75%），其次是三价砷（23%）。五价砷转化为三价砷，提高了砷的毒性和流动性。在0-10cm的土样中，三价砷从3.55%提高到23.41%；10-30cm的土样中，三价砷从6.23%提高到23.11%；30-100cm的土样中，三价砷从9.52%提高到23.63%。这种形式变化造成的毒性变化和流动性增强，提升了土壤和地下水的风险程度。
在这70天中，随着土壤温度从19.6 ℃-25.3 ℃上升到30.2 ℃-36.1 ℃，微生物活动也愈发活跃，促进了砷的还原。土壤的酸碱性变化微弱，依然保持碱性（8.67-9.26），高PH值抑制了五价砷的吸收，因此更多的砷被还原了。此外，有机质也将影响五价砷转化为三价砷，一些小有机物分子，可以作为五价砷的电子供体。
样品中关于砷还原的代谢基因在丰度前10 的物种中普遍存在。五价砷还原的微生物在所有深度的土壤层中起主导作用。
在所有与砷代谢的基因中，相对丰度从高到低依次为砷还原基因、砷甲基化基因、砷呼吸基因和砷氧化基因。
图2. 砷代谢基因对砷转化与运输的作用及砷代谢基因的丰度
其中砷还原基因占比为73.47%-78.11%。砷还原用于减少砷在细胞中的毒性：微生物将细胞内的五价砷转化为三价砷，并通过膜蛋白将三价砷泵出细胞来降低砷的浓度。砷还原基因聚在一起形成五价砷还原酶的操纵子。当五价砷进入细胞，首先与ArsC酶结合，接着激活ArsC，使谷胱甘肽作为电子供体，将五价砷转化为三价砷。三价砷的生成促进了ATP酶ArsA水解ATP产生能量。通过arsB编码的砷泵，三价砷从细胞内运输到细胞外。arsD和arsR则编码转录调控蛋白ArsD和ArsR。砷还原基因起主导作用可能有以下原因：
1.土样中五价砷占比高
2.携带砷还原基因的物种群落多样性最高。
砷甲基化基因是第二高丰度的砷代谢基因。其一，砷可被ArsM甲基化并通过ArsP从胞内运输到胞外。其二，ArsH可通过亚砷酸甲基转化为砷酸甲基进行解毒。
砷氧化基因和砷呼吸基因在丰度上分别排第三和第四。aioA对砷氧化具有重要的作用。arrA和arrB编码的砷呼吸还原酶可以将五价砷作为最终的电子受体。arrA是砷在土地中迁移和转化的重要因素。
在空间上，arsB、arsH、aioA和aioH随着土壤深度增加而增加。arrA、arrB、arsT、arsM、aioB和aioE随着土壤深度增加而降低。也有研究表示，砷的浓度随着污染土的深度增加而降低。砷代谢的空间分布可能跟砷的种类、pH、Eh、氧气含量和其他物理化学性质有关。
3. 砷代谢基因与土壤性质和砷种类的关系
相关性分析显示土壤性质和砷还原基因深刻影响了砷种类的分布。土壤水跟dimethylarsenic （DMA）成显著正相关，有机质跟五价砷成显著正相关；monomethylarsenic（MMA）和acr3、arsA、arsC、arsE和arsT成显著正相关。
根据微生物细胞内的代谢途径，砷还原基因产生的三价砷是MMA重要的反应剂。因此MMA和砷还原基因的显著相关性，说明砷还原基因间接促进了MMA的产生。
图3. 砷代谢与土壤性质的相关性
4. 冶炼场的砷代谢基因的差异
由于砷是磷的同系物，它的性质跟磷相似，进入胞内的磷可以打断蛋白质间的二硫键，并且可以通过替换DNA的氢键来破坏DNA的修复功能。
图4. 第0日和第70日能量代谢、DNA复制和修复、膜转运的相对丰度变化
结果显示，在砷还原代谢活跃的土地中，微生物的能量代谢、DNA复制和修复和膜运输功能被破坏。能量代谢基因的丰度从2.67×10−2 下降到 3.65×10−7 , DNA复制和修复基因丰度从8.06×10−3 下降到4.78×10−5 。膜转运基因从2.01× 10−2 下降到2.38×10−5 。此外，17种砷代谢基因显著下降。
图5. 第0日和第70日砷代谢基因相对丰度的变化
结论：
亮点：
（1）冶炼厂中，砷代谢微生物对控制砷的形式变化有重要意义。
（2）砷还原代谢，对土壤中微生物群落的生活环境起到负面作用，并影响人类健康。
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