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地大新聞網訊 （通訊員 陳曉明）近日，我校環境學院生物系曾憲春教授團隊的研究成果相繼在國際知名期刊《危險性材料雜志》（Journal of Harzardous Materials）、《總體環境科學》（Science of The Total Environment）和《化學圈》（Chemosphere）上發表，系統解決了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氧化途徑如何相互作用的科學問題。三篇文章的第一作者為環境學院博士研究生陳曉明、碩士研究生余婷婷，通訊作者為曾憲春教授。

陳曉明（左）、余婷婷（右）

銻(Sb)和砷(As)的電子結構和化學性質高度相似，在污染環境中通常一起存在。因此，學術界推測Sb^III和As^III氧化酶對對方底物具有交叉氧化活性。但奇怪的是，這兩種氧化酶的蛋白序列和結構完全不同。所以，闡明這兩種氧化酶是否具有交叉活性非常有趣，有助于深刻理解銻與砷生物地球化學過程之間的相互作用。

長期以來，學術界對這個問題進行了許多研究，發表了至少15篇研究論文。但是，由于以往的研究使用了遺傳背景不清楚或不準確的微生物菌株，導致得出的結論模糊不清，甚至是錯誤和相互矛盾的。

為了解決這個問題，首先，研究團隊利用銻污染土壤通過富集培養法制備了銻氧化微生物富集液，并通過環境基因組分析確認了富集液富含Sb^III氧化酶基因，但不含As^III氧化酶基因。我們發現銻氧化微生物富集液在好氧和厭氧條件下都表現出Sb^III和As^III氧化活性，這說明在群落水平上銻氧化微生物具有氧化As^III的交叉活性。為了進一步驗證這一發現，研究團隊成功分離了3株可培養銻氧化菌[Pseudomonas sp. SbOB1 (綠膿桿菌SbOB1)、Brucella sp. SbOB2 (布魯氏桿菌SbOB2)和Shinella sp. SbOB3 (申氏菌SbOB3)]，它們都具有Sb^III氧化酶基因但缺乏As^III氧化酶基因。這些菌株在好氧和厭氧條件下都表現出顯著的Sb^III和As^III 氧化能力，從而在可培養單株水平證實了Sb^III氧化酶具有氧化As^III的交叉活性。其次，研究團隊利用砷污染土壤制備了砷氧化微生物富集液，通過環境基因組分析證實富集液富含As^III氧化酶基因，但不含Sb^III氧化酶基因。我們觀察到砷氧化微生物群落在好氧和厭氧條件下都具有顯著的As^III氧化活性，但沒有檢測到Sb^III氧化活性。這說明砷氧化微生物在群落水平不能氧化Sb^III。進一步分離了3株具有As^III氧化酶基因但缺乏Sb^III氧化酶基因的可培養砷氧化菌[Agrobacterium sp. AsOB1 (農桿菌AsOB1)、Ensifer sp. AsOB2 (粘著劍菌AsOB2)和Achromobacter sp. AsOB3 (無色小桿菌AsOB3)]，并在可培養單株水平證實了As^III氧化酶不具有氧化Sb^III的交叉活性。因此，研究結果令人信服地證明了銻氧化微生物可以氧化As^III，而砷氧化微生物則不能氧化Sb^III。這些發現澄清了以前關于銻氧化微生物和砷氧化微生物是否能氧化彼此底物的歧義、混淆、錯誤或矛盾（圖2）。

圖2 Journal of Harzardous Materials的摘要圖

為了更深入地探索微生物中Sb^III和As^III氧化途徑的相互作用，我們需要兩種代表性的可培養銻氧化菌株：一種只含有Sb^III氧化酶基因但不含As^III氧化酶基因；另一種同時具有Sb^III和As^III氧化酶基因。經過多輪富集分離，我們成功得到了這兩種菌株，它們分別是Ralstonia sp. SbOX (羅爾斯通氏菌SbOX)，Shinella sp. SbAsOP1 (申氏菌SbAsOP1)。通過PCR擴增與基因組測序分析，證實了它們的基因型與遺傳背景符合我們的研究需求。

當Sb^III和As^III同時存在時，在好氧條件下，只具有Sb^III氧化酶基因的羅爾斯通氏菌SbOX優先氧化Sb^III，直到Sb^III幾乎完全被氧化后才開始快速氧化As^III。與此對比，在厭氧條件下，Sb^III的氧化顯著抑制了羅爾斯通氏菌SbOX中As^III的氧化途徑，但As^III對Sb^III的氧化影響很小（圖3）。

圖3 Science of The Total Environment的摘要圖

值得注意的是，當Sb^III和As^III共存時，在好氧條件下，同時具有Sb^III和As^III氧化酶基因的申氏菌SbAsOP1能夠同時完成As^III與Sb^III的氧化，但As^III和Sb^III分別顯著抑制了對方的氧化。相比之下，在厭氧條件下，As^III會部分抑制SbAsOP1介導的Sb^III的氧化，而Sb^III則強烈抑制As^III的氧化。這些發現表明，在厭氧條件下，兩種類型銻氧化菌都表現出對Sb^III氧化的強烈偏好（圖4）。

這項研究首次系統闡明了微生物介導的As^III與Sb^III氧化途徑之間的強烈相互作用。銻氧化菌能夠氧化As^III，但砷氧化菌卻不能氧化Sb^III。當微生物只有Sb^III氧化酶時，在好氧條件下，微生物優先氧化Sb^III，待Sb^III氧化完成后才開始氧化As^III；而在厭氧條件下，Sb^III氧化強烈抑制As^III氧化，但As^III對Sb^III的氧化影響很小。當微生物同時具有兩種酶時，在好氧條件下，微生物能同時氧化Sb^III與As^III，但彼此會有一定程度的抑制作用；在厭氧條件下，微生物催化Sb^III的氧化會強烈抑制As^III的氧化，但As^III氧化會部分抑制Sb^III的氧化。這些研究結果有助于更深入地理解銻和砷生物地球化學過程之間的相互作用，并提供了關于Sb^III和As^III氧化酶以及氧化細菌的新知識。

圖4 Chemosphere的摘要圖

該項研究成果受橫向科技項目“基于人工智能的地質微生物與多肽應用基礎研究” (2021046154)、國家自然科學基金面上項目(41472219)和國家自然科學基金創新研究群體項目(41521001)聯合資助。（編輯 孫彥欽 審稿 尚東光）

文章鏈接：

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