甲烷是第二大溫室氣體，其廣泛存在于濕地、海洋等自然生境以及水稻田、厭氧消化池等人工系統(tǒng)。同時(shí)，甲烷也是一種有效的生物碳源和能源，能夠維持微生物的生長和代謝，并驅(qū)動如碳、氮、硫等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，推動生物圈的進(jìn)化與發(fā)展。

近日，浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所和德國圖賓根大學(xué)應(yīng)用地球科學(xué)中心，率先揭示了甲烷厭氧氧化耦合砷還原現(xiàn)象，提出了可能的代謝機(jī)理，并進(jìn)一步闡明了該途徑對環(huán)境污染、糧食安全以及生態(tài)健康的潛在影響，對于理解甲烷厭氧氧化的生物學(xué)機(jī)制和防控環(huán)境重金屬污染具有重要的啟示意義。

這一研究于近日刊登在國際知名期刊《自然·地球科學(xué)》（Nature Geoscience），第一作者為浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院博士生石凌棟，通訊作者為浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院趙和平教授和唐先進(jìn)副教授。

環(huán)境中砷遷移轉(zhuǎn)化的新途徑

趙和平教授團(tuán)隊(duì)長期從事水污染控制相關(guān)研究。硝態(tài)氮是城市污水及地下水中的一種重要污染物，微生物可利用污水中COD為碳源通過反硝化作用將之還原為氮?dú)鈴亩鴮?shí)現(xiàn)污染物去除。當(dāng)碳源不足時(shí)，則需要為微生物添加外源碳源以實(shí)現(xiàn)反硝化過程，這既增加了成本，也帶來了二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

2013年，國外科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，有些微生物可以利用溫室氣體甲烷為唯一碳源和電子供體實(shí)現(xiàn)反硝化?！斑@一發(fā)現(xiàn)給了我們很大的啟示，甲烷作為污水處理的中間產(chǎn)物，同時(shí)又是自然環(huán)境中大量存在的物質(zhì)?！壁w和平介紹，“如果能找到更多這類微生物，既能利用導(dǎo)致溫室效應(yīng)的甲烷，又能去除水體中硝氮等一系列氧化態(tài)污染物，就兩全其美了?！?/span>

沿著這個(gè)思路，趙和平團(tuán)隊(duì)與唐先進(jìn)等合作，在富含甲烷的濕地實(shí)地取樣，并結(jié)合同位素示蹤的異位培養(yǎng)，試圖富集培養(yǎng)更多此類功能微生物。實(shí)驗(yàn)中他們發(fā)現(xiàn)了甲烷氧化耦合砷還原現(xiàn)象，在這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中，甲烷被氧化成為二氧化碳，同時(shí)環(huán)境中常見的重金屬砷，從五價(jià)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變成了更易遷移、更易溶解也更具毒性的三價(jià)砷（圖1）。

“與其它氧化態(tài)污染物還原不同，這種價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變并不是好事。”趙和平說，“甲烷可能會帶來砷的還原，這種現(xiàn)象大家沒關(guān)注過。環(huán)境中大量水溶性砷的生成，會因?yàn)榱鲃有院瓦w移性增加從而增加生態(tài)毒性風(fēng)險(xiǎn)。比如在水稻田中大量存在則會被作物吸收，長出砷超標(biāo)的水稻，引發(fā)食品安全問題，需要引起足夠的重視?！?/span>

圖1. 甲烷厭氧氧化耦合砷還原的化學(xué)計(jì)量學(xué)關(guān)系

甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學(xué)機(jī)制

在甲烷厭氧氧化耦合砷還原的過程中，研究發(fā)現(xiàn)存在一類微生物能夠代謝甲烷，并為共生的砷還原菌提供電子。科研人員對不同微生物的種間電子傳播方式知之甚少。研究人員利用比較定量PCR技術(shù)和宏基因組學(xué)分析，定位了甲烷氧化和砷還原的活性基因，揭示了參與耦合反應(yīng)的功能微生物，并重構(gòu)了甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學(xué)代謝通路。結(jié)果表明甲烷氧化古菌首先通過逆向產(chǎn)甲烷途徑活化甲烷并獲得電子，隨后電子被傳遞到細(xì)胞周質(zhì)中的砷還原酶或者共生的砷還原菌中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的砷還原（圖2）。

圖2. 甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學(xué)代謝機(jī)理

也就是說，電子從一個(gè)細(xì)胞跑到另一個(gè)細(xì)胞，而多血紅素色素蛋白就扮演了運(yùn)送電子的“擺渡車”角色。趙和平認(rèn)為，多血紅素色素蛋白是實(shí)現(xiàn)微生物種間協(xié)作的充分條件，未來可以利用含有這類蛋白的微生物，為研發(fā)環(huán)境污染高效修復(fù)的生物技術(shù)提供方案。

甲烷厭氧氧化促進(jìn)全球的砷釋放

利用同位素標(biāo)記的模擬原位實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)在自然環(huán)境中甲烷厭氧氧化會促進(jìn)土壤結(jié)合態(tài)砷酸鹽向水溶性更高的亞砷酸鹽轉(zhuǎn)化，從而溶解在水環(huán)境中更易被生物利用。其中，甲烷厭氧氧化貢獻(xiàn)了26.4至49.2%的砷釋放，對生態(tài)健康以及作物安全產(chǎn)生了重大的影響（圖3）。進(jìn)一步對全球環(huán)境樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)甲烷厭氧氧化耦合砷還原廣泛分布于各種生境中，可能會極大推動環(huán)境砷污染的遷移轉(zhuǎn)化，從而影響后續(xù)的糧食生產(chǎn)和人類活動，需要引起足夠的重視。

圖3. 甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生態(tài)影響和全球分布

趙和平介紹，下一步研究將致力于富集功能微生物，從基因、酶學(xué)等多維度多層次進(jìn)一步揭示生物學(xué)機(jī)理，并更系統(tǒng)更全面地評估該生物代謝途徑對人類生產(chǎn)生活的影響，以期為科學(xué)問題的解決和防控政策的制定提供豐富的理論和實(shí)驗(yàn)支撐，也為相應(yīng)環(huán)境污染控制技術(shù)研發(fā)提供理論依據(jù)。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金、浙江省杰出青年項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-020-00659-z

（文 柯溢能/圖片由受訪人提供）