微生物SbIII与AsIII氧化途径互作之谜被解析

近日，我校环境学院生物系曾宪春教授团队的研究成果相继在期刊Journal of Harzardous Materials (危险性材料杂志)、Science of The Total Environment (总体环境科学)和Chemosphere (化学圈)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。博士研究生陈晓明和硕士研究生余婷婷分别是三篇文章的第一作者（图1），曾宪春教授为通讯作者。

图1. 博士生陈晓明（左）与硕士生余婷婷（右）

锑(Sb)和砷(As)的电子结构高度相似，化学性质也极为相似，在污染环境中通常共存。因此，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，Sb^III和As^III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有交叉活性非常有趣，有助于深刻理解砷与锑生物地球化学过程之间的相互作用。

关于这个问题长期以来学术界进行了许多研究，发表了至少15篇研究论文，但是由于过去的这些研究使用了遗传背景不清楚或不准确的微生物菌株，导致得出的结论是模糊、不确定、甚至是错误和相互矛盾的。

为了解决这个问题，首先，我们使用锑污染土壤通过富集培养法制备了锑氧化微生物(SOPs)富集液，并通过环境基因组分析确认了SOPs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SOPs富集液在好氧和厌氧条件下均表现出较强的Sb^III和As^III氧化活性。结果表明，在群落水平SOPs具有氧化As^III的交叉活性。为了进一步检验这一发现，我们成功分离了三株具有Sb^III氧化酶基因、但缺乏As^III氧化酶基因的代表性可培养锑氧化微生物菌株[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)]。我们观察到SbOB1、SbOB2和SbOB3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，研究结果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。第二步，我们从砷污染土壤中制备了砷氧化微生物(AOPs)富集液，通过环境基因组分析证实AOPs群落富含As^III氧化酶基因，但完全不含Sb^III氧化酶基因。我们观察到AOPs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。说明AOPs在群落水平不能氧化Sb^III。我们进一步分离出三株具有As^III氧化酶基因、但缺乏Sb^III氧化酶基因的代表性可培养AOP菌株[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，我们令人信服地证明了锑氧化微生物(SOPs)可以氧化As^III，而砷氧化微生物(AOPs)不能氧化Sb^III。这些发现澄清了以前关于锑氧化微生物(SOPs)和砷氧化微生物(AOPs)是否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

为了进一步深入探索微生物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微生物菌株进行研究：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)。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。

我们发现在好氧条件下和Sb^III和As^III同时存在时，只具有Sb^III氧化酶基因的罗尔斯通氏菌SbOX优先氧化Sb^III，只有在Sb^III几乎完全氧化后，SbOX才开始快速氧化As^III。与此对比，在厌氧条件下和同时存在Sb^III和As^III时，Sb^III的氧化显著抑制了SbOX中As^III的氧化途径，但As^III对Sb^III的氧化影响极小（图3）。

图3. Science of The Total Environment的摘要图

值得注意的是，在好氧条件下和Sb^III和As^III共存时，同时具有Sb^III和As^III氧化酶基因的申氏菌SbAsOP1能同时完成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，在厌氧条件下和Sb^III和As^III共存时，As^III部分抑制SbAsOP1介导的Sb^III的氧化，而Sb^III强烈抑制了As^III的氧化。这些发现表明，在厌氧条件下，两种锑氧化菌都表现出对Sb^III氧化的强烈偏好（图4）。

本研究首次系统阐明了微生物介导的As^III与Sb^III氧化途径之间强烈的相互作用。Sb^III氧化菌能氧化As^III，但As^III氧化菌不能氧化Sb^III。当一个细菌只有Sb^III氧化酶时，在好氧条件下，细菌优先氧化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的氧化抑制作用很小。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，互相有一定抑制作用；在厌氧条件下，微生物催化Sb^III的氧化强烈抑制As^III的氧化，但As^III氧化部分抑制Sb^III的氧化。研究结果有助于深刻理解锑和砷的生物地球化学过程之间的相互作用，并提供了有关Sb^III与As^III氧化酶与氧化细菌的新知识。

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。

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