研究团队揭示土壤中硫杆菌属和厌氧菌属介导了砷氧化依赖的生物固氮

近日，广东省科学院生态环境与土壤研究所研究员孙蔚旻团队利用DNA-SIP和宏基因组分箱确定了微生物硫杆菌属（Thiobacillus）和厌氧菌属（Anaeromyxobacter）参与砷氧化依赖自养固氮及相应代谢途径。相关研究发表在国际环境科学期刊Journal of Hazardous Materials上。

生物固氮在提供生物氮中发挥着重要作用，特别是在寡营养的重（类）金属污染的环境中。与海洋和土壤环境中生物固氮的广泛研究相比，我们对金属污染土壤中生物固氮的认知仍然有限，但有研究证明，从金属污染土壤能分离出具有抗重金属能力的异养固氮微生物。研究团队先前的发现证明了在尾矿样品中，Serratia能够从As(III)氧化中获得能量进行化能自养固氮。然而，砷氧化依赖自养固氮是否存在于其他砷污染的环境中，以及哪些微生物在这些环境中参与这个生物地球化学过程仍有待确定。因此，研究团队假设砷氧化依赖的自养固氮可能发生在金属污染的环境中，通过使用砷污染样品建立微宇宙实验，利用DNA-SIP、扩增子测序和宏基因组学等方法以验证上述假设。

在微宇宙培养过程中，只有在添加As(III)后，才能观察到生物固氮（固氮酶活性和¹⁵N分馏系数）和砷氧化活性；在未添加As(III)时，则无生物固氮和砷氧化活性显示。这个结果说明在金属污染土壤环境中存在砷氧化依赖的生物固氮过程。同时只有在添加As(III)后，nifH和aioA基因丰度才会随着孵育时间显著增加，且二者呈现出显著的正相关，这表明有微生物参与了该地球化学过程。DNA-SIP证明了Thiobacillus 和 Anaeromyxobacter可能参与了该地球化学过程。利用宏基因组分箱技术拼接基因组草图，得到了Thiobacillus 和 Anaeromyxobacter的基因组草图，且均含有固氮、固碳和砷氧化基因，进一步证明两者具有参与砷氧化依赖生物固氮的代谢潜力。

重金属污染土壤和河流沉积物中微生物砷固氮代谢机理图

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130220

（土壤环境所土壤生态修复研究团队 李永斌/供稿）