微生物亚锑酸盐SbIII与亚砷酸盐AsIII氧化途径互作之谜被解析

立博体育入口中心官网讯 （通讯员 陈晓明）近日，立博体育入口中心官网环境学院生物系曾宪春教授团队的研究成果相继在国际知名期刊《危险性材料杂志》（Journal of Harzardous Materials）、《总体环境科学》（Science of The Total Environment）和《化学圈》（Chemosphere）上发表，系统解决了Sb^III氧化酶是否氧化As^III，As^III氧化酶是否氧化Sb^III，以及微生物催化的Sb^III和As^III氧化途径如何相互作用的科学问题。三篇文章的第一作者为环境学院博士研究生陈晓明、硕士研究生余婷婷，通讯作者为曾宪春教授。

陈晓明（左）、余婷婷（右）

锑(Sb)和砷(As)的电子结构和化学性质高度相似，在污染环境中通常一起存在。因此，学术界推测Sb^III和As^III氧化酶对对方底物具有交叉氧化活性。但奇怪的是，这两种氧化酶的蛋白序列和结构完全不同。所以，阐明这两种氧化酶是否具有交叉活性非常有趣，有助于深刻理解锑与砷生物地球化学过程之间的相互作用。

长期以来，学术界对这个问题进行了许多研究，发表了至少15篇研究论文。但是，由于以往的研究使用了遗传背景不清楚或不准确的微生物菌株，导致得出的结论模糊不清，甚至是错误和相互矛盾的。

为了解决这个问题，首先，研究团队利用锑污染土壤通过富集培养法制备了锑氧化微生物富集液，并通过环境基因组分析确认了富集液富含Sb^III氧化酶基因，但不含As^III氧化酶基因。我们发现锑氧化微生物富集液在好氧和厌氧条件下都表现出Sb^III和As^III氧化活性，这说明在群落水平上锑氧化微生物具有氧化As^III的交叉活性。为了进一步验证这一发现，研究团队成功分离了3株可培养锑氧化菌[Pseudomonas sp. SbOB1 (绿脓杆菌SbOB1)、Brucella sp. SbOB2 (布鲁氏杆菌SbOB2)和Shinella sp. SbOB3 (申氏菌SbOB3)]，它们都具有Sb^III氧化酶基因但缺乏As^III氧化酶基因。这些菌株在好氧和厌氧条件下都表现出显著的Sb^III和As^III 氧化能力，从而在可培养单株水平证实了Sb^III氧化酶具有氧化As^III的交叉活性。其次，研究团队利用砷污染土壤制备了砷氧化微生物富集液，通过环境基因组分析证实富集液富含As^III氧化酶基因，但不含Sb^III氧化酶基因。我们观察到砷氧化微生物群落在好氧和厌氧条件下都具有显著的As^III氧化活性，但没有检测到Sb^III氧化活性。这说明砷氧化微生物在群落水平不能氧化Sb^III。进一步分离了3株具有As^III氧化酶基因但缺乏Sb^III氧化酶基因的可培养砷氧化菌[Agrobacterium sp. AsOB1 (农杆菌AsOB1)、Ensifer sp. AsOB2 (粘着剑菌AsOB2)和Achromobacter sp. AsOB3 (无色小杆菌AsOB3)]，并在可培养单株水平证实了As^III氧化酶不具有氧化Sb^III的交叉活性。因此，研究结果令人信服地证明了锑氧化微生物可以氧化As^III，而砷氧化微生物则不能氧化Sb^III。这些发现澄清了以前关于锑氧化微生物和砷氧化微生物是否能氧化彼此底物的歧义、混淆、错误或矛盾（图2）。

图2 Journal of Harzardous Materials的摘要图

为了更深入地探索微生物中Sb^III和As^III氧化途径的相互作用，我们需要两种代表性的可培养锑氧化菌株：一种只含有Sb^III氧化酶基因但不含As^III氧化酶基因；另一种同时具有Sb^III和As^III氧化酶基因。经过多轮富集分离，我们成功得到了这两种菌株，它们分别是Ralstonia sp. SbOX (罗尔斯通氏菌SbOX)，Shinella sp. SbAsOP1 (申氏菌SbAsOP1)。通过PCR扩增与基因组测序分析，证实了它们的基因型与遗传背景符合我们的研究需求。

当Sb^III和As^III同时存在时，在好氧条件下，只具有Sb^III氧化酶基因的罗尔斯通氏菌SbOX优先氧化Sb^III，直到Sb^III几乎完全被氧化后才开始快速氧化As^III。与此对比，在厌氧条件下，Sb^III的氧化显著抑制了罗尔斯通氏菌SbOX中As^III的氧化途径，但As^III对Sb^III的氧化影响很小（图3）。

图3 Science of The Total Environment的摘要图

值得注意的是，当Sb^III和As^III共存时，在好氧条件下，同时具有Sb^III和As^III氧化酶基因的申氏菌SbAsOP1能够同时完成As^III与Sb^III的氧化，但As^III和Sb^III分别显著抑制了对方的氧化。相比之下，在厌氧条件下，As^III会部分抑制SbAsOP1介导的Sb^III的氧化，而Sb^III则强烈抑制As^III的氧化。这些发现表明，在厌氧条件下，两种类型锑氧化菌都表现出对Sb^III氧化的强烈偏好（图4）。

这项研究首次系统阐明了微生物介导的As^III与Sb^III氧化途径之间的强烈相互作用。锑氧化菌能够氧化As^III，但砷氧化菌却不能氧化Sb^III。当微生物只有Sb^III氧化酶时，在好氧条件下，微生物优先氧化Sb^III，待Sb^III氧化完成后才开始氧化As^III；而在厌氧条件下，Sb^III氧化强烈抑制As^III氧化，但As^III对Sb^III的氧化影响很小。当微生物同时具有两种酶时，在好氧条件下，微生物能同时氧化Sb^III与As^III，但彼此会有一定程度的抑制作用；在厌氧条件下，微生物催化Sb^III的氧化会强烈抑制As^III的氧化，但As^III氧化会部分抑制Sb^III的氧化。这些研究结果有助于更深入地理解锑和砷生物地球化学过程之间的相互作用，并提供了关于Sb^III和As^III氧化酶以及氧化细菌的新知识。

图4 Chemosphere的摘要图

该项研究成果受横向科技项目“基于人工智能的地质微生物与多肽应用基础研究” (2021046154)、国家自然科学基金面上项目(41472219)和国家自然科学基金创新研究群体项目(41521001)联合资助。（编辑 孙彦钦 审稿 尚东光）

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134135

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.169893

https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141385