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稻田土壤厌氧砷氧化耦合硝酸盐还原过程中的功能基因和功能微生物

17、土壤科学与环境健康 > 专题7：土壤重金属迁移转化及其环境效应

稻田土壤厌氧砷氧化耦合硝酸盐还原过程中的功能基因和功能微生物

李晓敏1,2，乔江涛1，李爽1，胡敏1，李芳柏*1

1. 广东省生态环境技术研究所，广东省农业环境综合治理重点实验室，广州 510650；
2. 华南师范大学，环境研究院，广东省化学品污染与环境安全重点实验室，教育部环境理论化学重点实验室，广州 510006。
（李晓敏，xiaomin.li@m.scnu.edu.cn；*通讯作者，cefbli@soil.gd.cn）

摘要：
微生物驱动的砷(As(III))氧化耦合硝酸盐还原过程是降低砷污染稻田土壤中砷的生物有效性和毒性的重要途径之一。然而，在稻田土壤中有哪些与砷、氮转化相关的功能基因会在砷氧化-硝酸盐还原条件下被激发，含有相应基因的功能微生物是哪些，尚未深入探讨。为了阐明上述问题，本研究通过稻田土壤微宇宙实验、宏基因组和定量PCR分析等方法，获得以下结果。砷、氮转化动力学结果显示，只有在硝酸盐存在的情况下砷氧化过程才能发生；砷氧化-硝酸盐还原过程是土壤微生物驱动的结果；砷氧化过程没有显著影响硝酸盐还原过程。宏基因组分析结果表明，驱动硝酸盐还原过程的功能微生物主要是Pseudogulbenkiania属，其主要携带narG、nirS和norBC基因，分别介导硝酸盐还原、亚硝酸盐还原和一氧化氮还原过程；驱动砷氧化过程的功能微生物主要是Azoarcus属，其主要携带aioA和aioB基因；此外，Azoarcus属菌还携带napA、nirK 和nosZ基因，分别介导硝酸盐还原、亚硝酸盐还原和氧化亚氮还原过程。定量PCR结果证实了As(III)的存在能够显著提高的Azoarcus属、aioA和nosZ 基因的丰度。综上所述，Azoarcus属和Pseudogulbenkiania属均具有多种跟砷、氮转化的生理生态特性，这些生理生态特性一方面有利于其适应砷污染的稻田土壤，另一方面还能其驱动砷氧化耦合硝酸盐还原过程。因此，开发基于上述菌种的生物资源，将有望应用于砷污染稻田的修复或调控当中。

基金项目：
国家自然科学基金项目(41877043)；广东省自然科学杰出青年基金项目(2017A030306010)；“广东特支计划”青年拔尖人才项目(2017TQ04Z511)。