甲烷如何影響環境中砷的遷移？浙大學者找到新途徑

2020-12-03 科技金融時報

甲烷是第二大溫室氣體，其廣泛存在於溼地、海洋等自然生境以及水稻田、厭氧消化池等人工系統。同時，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，並驅動如碳、氮、硫等元素的生物地球化學循環，推動生物圈的進化與發展。

近日，浙江大學環境與資源學院科研團隊聯合中國科學院城市環境研究所和德國圖賓根大學應用地球科學中心，率先揭示了甲烷厭氧氧化耦合砷還原現象，提出了可能的代謝機理，並進一步闡明了該途徑對環境汙染、糧食安全以及生態健康的潛在影響，對於理解甲烷厭氧氧化的生物學機制和防控環境重金屬汙染具有重要的啟示意義。這一研究於近日刊登在國際知名期刊《自然·地球科學》（Nature Geoscience）。

浙江大學環境與資源學院趙和平教授團隊長期從事水汙染控制相關研究。硝態氮是城市汙水及地下水中的一種重要汙染物，微生物可利用汙水中COD為碳源通過反硝化作用將之還原為氮氣從而實現汙染物去除。當碳源不足時，則需要為微生物添加外源碳源以實現反硝化過程，這既增加了成本，也帶來了二次汙染風險。

2013年，國外科學家偶然發現，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現反硝化。「這一發現給了我們很大的啟示，甲烷作為汙水處理的中間產物，同時又是自然環境中大量存在的物質。」趙和平介紹，「如果能找到更多這類微生物，既能利用導致溫室效應的第二大危害物甲烷，又能去除水體中硝氮等一系列氧化態汙染物，就兩全其美了。」

甲烷厭氧氧化耦合砷還原的化學計量學關係

沿著這個思路，趙和平團隊在富含甲烷的溼地實地取樣，並結合同位素示蹤的異位培養，試圖富集培養更多此類功能微生物。實驗中他們發現了甲烷氧化耦合砷還原現象，在這個轉化過程中，甲烷被氧化成為二氧化碳，同時環境中常見的重金屬砷，從五價結合態轉變成了更易遷移、更易溶解也更具毒性的三價砷。

「與其它氧化態汙染物還原不同，這種價態轉變並不是好事。」趙和平說，「甲烷可能會帶來砷的還原，這種現象大家沒關注過。環境中大量水溶性砷的生成，會因為流動性和遷移性增加從而增加生態毒性風險。比如在水稻田中大量存在會被作物吸收，長出砷超標的水稻，引發食品安全問題，需要引起足夠的重視。」

在甲烷厭氧氧化耦合砷還原的過程中，研究發現存在一類微生物能夠代謝甲烷，並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。浙大研究人員利用比較定量PCR技術和宏基因組學分析，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的功能微生物，並重構了甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學代謝通路。結果表明甲烷氧化古菌首先通過逆向產甲烷途徑活化甲烷並獲得電子，隨後電子被傳遞到細胞周質中的砷還原酶或者共生的砷還原菌中，實現進一步的砷還原（圖2）。

甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生物學代謝機理

也就是說，電子從一個細胞跑到另一個細胞，而多血紅素色素蛋白就扮演了運送電子的「擺渡車」角色。趙和平認為，多血紅素色素蛋白是實現微生物種間協作的充分條件，未來可以利用含有這類蛋白的微生物，為研發環境汙染高效修復的生物技術提供方案。

利用同位素標記的模擬原位實驗，研究人員發現在自然環境中甲烷厭氧氧化會促進土壤結合態砷酸鹽向水溶性更高的亞砷酸鹽轉化，從而溶解在水環境中更易被生物利用。其中，甲烷厭氧氧化貢獻了26.4~49.2%的砷釋放，對生態健康以及作物安全產生了重大的影響（圖3）。進一步對全球環境樣本進行分析，團隊成員發現甲烷厭氧氧化耦合砷還原廣泛分布於各種生境中，可能會極大推動環境砷汙染的遷移轉化，從而影響後續的糧食生產和人類活動，需要引起足夠的重視。

甲烷厭氧氧化耦合砷還原的生態影響和全球分布

趙和平介紹，團隊下一步研究將致力於富集功能微生物，從基因、酶學等多維度多層次進一步揭示生物學機理，並更系統更全面地評估該生物代謝途徑對人類生產生活的影響，以期為科學問題的解決和防控政策的制定提供豐富的理論和實驗支撐，也為相應環境汙染控制技術研發提供理論依據。

來源：科技金融時報（記者 林潔 通訊員 柯溢能）
編輯：王姝

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