微生物耐砷机理及其在砷地球化学循环中的作用北大核心CSCD

砷是一种无处不在的有毒类金属,其强致癌性引起了人类的广泛关注。在自然环境中,砷的转化存在物理化学过程和生物过程,其中微生物介导的砷转化是环境砷行为的主要影响因素。微生物的耐砷特性与砷吸收、氧化还原、甲基化、区隔化和外排等过程密切相关。砷在微生物体内的转运转化主要与砷解毒有关,但某些微生物可利用氧化还原过程产生的能量以维持其生长需求。本文综述了微生物介导的砷吸收、转化、区隔化和外排机制,这对阐明砷的地球化学循环过程及指导砷污染土壤和水体修复、阻控农作物砷吸收等方面具有重要意义。     

AM真菌对重金属污染土壤生物修复的应用与机理

土壤重金属污染威胁人类健康和整个生态系统,而高效、低耗、安全的生物修复技术显示出了极大的应用潜力,特别是利用植物-微生物共生体增强生物修复效应的应用.丛枝菌根(Arbuscular Mycorrhizae,AM)真菌是一类广泛分布于土壤生态系统中的有益微生物,能与90％以上的陆生高等植物形成共生体.研究发现,AM真菌能够增强宿主植物对土壤中重金属胁迫的耐受性.当前,利用AM真菌开展重金属污染土壤的生物修复已经引起环境学家和生态学家的广泛关注.基于此,围绕AM真菌在重金属污染土壤生物修复作用中的最新研究进展,从物理性防御体系的形成、对植物生理代谢的调控、生化拮抗物质的产生、基因表达的调控等角度探究AM真菌在重金属污染土壤生物修复中的作用机理,以期为利用AM真菌开展重金属污染的生物修复提供理论依据,并对本领域未来的发展和应用前景进行了展望.     

产嗜铁素砷抗性微生物在砷污染环境中的作用

在砷污染环境中,许多微生物进化出了砷抗性,对地球环境中砷的命运起着决定性的作用。其次,由于自然条件下铁有效浓度低,微生物一般会表达嗜铁素,协助微生物吸收铁。嗜铁素除了与铁结合外,还可与多种金属离子形成稳定的复合物,促进环境中砷酸盐的溶解和亚砷酸盐的氧化。最后,产嗜铁素微生物有促进植物生长和促进或减弱植物吸收砷的可能性。因此,产嗜铁素砷抗性微生物可能具有在砷污染环境的修复中发挥作用的潜力。     

铁氧化菌耐砷机制及其砷污染修复应用的研究进展

砷污染作为全球性环境问题已经引起了人们的高度重视。无机砷化合物可与铁氢氧化物络合通过共沉淀作用去除。因此,利用具有砷耐性的铁氧化菌氧化环境中的铁元素去除砷化合物具有潜在的应用前景。目前已有利用铁氧化菌去除环境中砷污染物的报道。用于砷污染修复的铁氧化菌必须有一定的砷耐性才能在含砷环境中行使功能。微生物是否具有砷耐性往往取决于基因,并且不同的菌株具有不同的生理特征,适宜不同砷污染环境的修复。本文通过对8株代表性的铁氧化菌砷耐性基因的总结,阐述其耐砷机制、研究概况及应用前景,以期为铁氧化菌用于除砷新技术的开发提供参考。     

淹水-控温模式下砷污染水稻土溶液中砷形态的变化

以水稻种植区的砷污染土壤为研究对象,采用高效液相色谱(HPLC)-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用分析测试系统,研究了不同培养温度(5、27和50 ℃)对灭菌和不灭菌的土壤淹水后其溶液中砷赋存形态变化的影响.结果表明： 在土壤溶液中检测到的砷形态只有无机三价砷(As^Ⅲ)、无机五价砷(As^V)和有机的二甲基砷(DMA^V),未检测到单甲基砷(MMA^V)的存在;在不同控温条件下随淹水时间的延长,As^Ⅲ逐渐转变为砷的主要赋存形态,平均比例约为64%;As^V次之,约占35%,DMA^V的含量相对最低,约占1%;土壤灭菌与否对土壤溶液中五价砷的水平没有明显影响,但明显影响了五价砷的还原和促进了无机三价砷的甲基化,并且灭菌的促进效果随着淹水及培养时间的延长而逐渐降低;50 ℃、淹水23 d时,灭菌土壤溶液中DMA^V浓度最高,为23.7 ng·mL^-1,这说明灭菌土壤中残留的某些嗜热微生物成为优势菌群并促进了土壤溶液中砷的甲基化.结合水稻生长的实际环境条件对该研究结果进行分析,培养温度27 ℃淹水23 d后不灭菌的自然土壤溶液中砷浓度处于较低水平,因此在砷污染的水稻种植区建议采用短周期干湿交替的水分管理模式,在保障产量的情况下可尽量降低土壤溶液中砷的水平.     

溶磷微生物在钝化和植物修复重金属污染土壤中的作用

钝化和植物修复是重金属污染土壤修复的重要技术手段,而溶磷微生物可进一步增强钝化和植物修复重金属污染土壤的作用。介绍了钝化和植物修复重金属污染土壤的基本原理,总结了溶磷微生物对土壤中难溶性磷酸盐的溶解、利用磷酸盐钝化修复重金属污染土壤、溶磷微生物对磷酸盐钝化修复的强化以及溶磷微生物强化植物修复重金属污染土壤的研究进展,探讨了溶磷微生物对重金属的抗性及其溶磷机理、溶磷微生物对磷酸盐钝化修复重金属污染土壤的强化作用机理以及溶磷微生物强化植物修复重金属污染土壤的作用机理。旨在为生物修复重金属污染土壤研究提供一定的理论依据和技术支撑。     

土壤中高环多环芳烃微生物降解的研究进展

微生物修复是去除土壤中多环芳烃(PAHs)的主要措施。本文以微生物修复PAHs污染土壤的理论基础及其难点为主线,全面综述了土壤中高环PAHs的微生物降解机理。近年来,富集分离得到的以高环PAHs为唯一碳源和能源的优势降解菌逐渐增多,其中,主要是代谢降解四环PAHs的单株降解菌,一些降解菌还能以共代谢方式利用五环PAHs。高环PAHs污染土壤修复的一个难点是其低生物可利用性,微生物通过释放生物表面活性剂、形成生物膜以及分泌胞外多糖提高高环PAHs的生物可利用性,从而加速其降解。真菌和细菌联合作用能增强污染土壤实地修复的效果。因此,通过微生物修复技术来去除土壤中PAHs具有环境友好性、经济适用性以及可持续应用性。     

淹水-控温模式下砷污染水稻土溶液中砷形态的变化

以水稻种植区的砷污染土壤为研究对象,采用高效液相色谱(HPLC)-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用分析测试系统,研究了不同培养温度(5、27和50℃)对灭菌和不灭菌的土壤淹水后其溶液中砷赋存形态变化的影响.结果表明:在土壤溶液中检测到的砷形态只有无机三价砷(AsⅢ)、无机五价砷(Asv)和有机的二甲基砷(DMAv),未检测到单甲基砷(MMAv)的存在;在不同控温条件下随淹水时间的延长,AsⅢ逐渐转变为砷的主要赋存形态,平均比例约为64％;Asv次之,约占35％,DMAv的含量相对最低,约占1％;土壤灭菌与否对土壤溶液中五价砷的水平没有明显影响,但明显影响了五价砷的还原和促进了无机三价砷的甲基化,并且灭菌的促进效果随着淹水及培养时间的延长而逐渐降低;50℃、淹水23 d时,灭菌土壤溶液中DMAv浓度最高,为23.7 ng·mL-1,这说明灭菌土壤中残留的某些嗜热微生物成为优势菌群并促进了土壤溶液中砷的甲基化.结合水稻生长的实际环境条件对该研究结果进行分析,培养温度27℃淹水23 d后不灭菌的自然土壤溶液中砷浓度处于较低水平,因此在砷污染的水稻种植区建议采用短周期干湿交替的水分管理模式,在保障产量的情况下可尽量降低土壤溶液中砷的水平.     

4种蚯蚓肠道微生物对砷毒性的响应差异研究

蚯蚓肠道是微生物多样性的一个潜在存储库。砷对蚯蚓肠道微生物群落的影响已被证实,但砷在不同蚯蚓肠道菌群中生物转化的差异仍不清楚。为了进一步阐述土壤中广泛存在的低浓度砷(浓度为5,15,25 mg/kg)对不同种类蚯蚓肠道微生物影响的差异,将4种典型蚯蚓暴露于砷污染土壤后,测定其肠道微生物组成变化,并分析砷对不同蚯蚓肠道内砷富集、形态和砷生物转化基因的影响。结果显示,所有蚯蚓组织内均存在明显的砷富集,其富集系数由高到低依次为:安德爱胜蚓(1.93)>加州腔蚓(0.80)>通俗腔蚓(0.78)>湖北远盲蚓(0.52),蚯蚓组织和肠道内砷形态主要以无机砷为主,其中As(III)含量比例> 80%,部分蚯蚓组织内还发现少量有机砷。4种蚯蚓肠道微生物群落在门水平上主要以变形菌、厚壁菌和放线菌为主,并与周围土壤细菌群落组成存在显著差异。同时,在土壤和肠道内共检测到17个砷转化基因,其中蚯蚓肠道内As(V)还原和砷转运相关基因相对丰度较高,而砷(去)甲基化基因丰度较低。此外,低浓度砷污染对蚯蚓生长无显著影响,却能引起蚯蚓肠道微生物群落的紊乱。蚯蚓种类和砷污染是引起蚯蚓肠道微生物...     

蜈蚣草砷超富集机制及其在砷污染修复中的应用

蕨类植物蜈蚣草能够从土壤中吸收砷,并储存于地上部分羽叶的液泡中。蜈蚣草具有高效的抗氧化系统,以降低砷的毒害;其砷酸还原系统和液泡区隔化是蜈蚣草进行砷解毒和砷超富集的重要机制。本文综述了目前蜈蚣草砷超富集机制研究的主要进展,并对其在修复砷污染环境的应用中进行了讨论。     

施用有机肥对高砷红壤中小白菜砷吸收的影响

通过盆栽试验,研究了施用猪粪和鸡粪条件下红壤中的砷对小白菜生长和吸收的影响及土壤有效态砷含量的变化.结果表明：向高砷红壤中施用猪粪和鸡粪两种有机肥均使小白菜的生物量有不同程度的增加,其中,施用猪粪处理的小白菜生物量显著高于对照处理(P<0.05);猪粪和鸡粪两种有机肥的施用可导致土壤有效砷含量明显提高,施用猪粪后土壤有效砷含量增幅达394.9%～1033.6%,而施用鸡粪的土壤有效砷含量增幅为30.4%～94.1%; 施用有机肥明显促进了小白菜对砷的吸收,其中猪粪处理下小白菜的砷吸收量比对照增加20.7%～53.9%. 根据本研究结果,对砷含量较高的高风险农田,施用猪粪、鸡粪等有机肥可能会在一定程度上提高土壤有效砷含量和作物对砷的吸收量,使农产品质量和环境风险增加.     

Genome Sequence of the Moderately Halotolerant, Arsenite-Oxidizing Bacterium Pseudomonas stutzeri TS44

We present the draft genome sequence of Pseudomonas stutzeri TS44, a moderately halotolerant, arsenite-oxidizing bacterium isolated from arsenic-contaminated soil. The genome contains genes for arsenite oxidation, arsenic resistance, and ectoine/hydroxyectoine biosynthesis. The genome information will be useful for exploring adaptation of P. stutzeri TS44 to an arsenic-contaminated environment.     

Bacterial metabolism of environmental arsenic—mechanisms and biotechnological applications

Arsenic causes threats for environmental and human health in numerous places around the world mainly due to its carcinogenic potential at low doses. Removing arsenic from contaminated sites is hampered by the occurrence of several oxidation states with different physicochemical properties. The actual state of arsenic strongly depends on its environment whereby microorganisms play important roles in its geochemical cycle. Due to its toxicity, nearly all organisms possess metabolic mechanisms to resist its hazardous effects, mainly by active extrusion, but also by extracellular precipitation, chelation, and intracellular sequestration. Some microbes are even able to actively use various arsenic compounds in their metabolism, either as an electron donor or as a terminal electron acceptor for anaerobic respiration. Some microorganisms can also methylate inorganic arsenic, probably as a resistance mechanism, or demethylate organic arsenicals. Bioavailability of arsenic in water and sediments is strongly influenced by such microbial activities. Therefore, understanding microbial reactions to arsenic is of importance for the development of technologies for improved bioremediation of arsenic-contaminated waters and environments. This review gives an overview of the current knowledge on bacterial interactions with arsenic and on biotechnologies for its detoxification and removal.     

外源砷胁迫对两种土壤中细菌和古菌群落的影响

采矿和冶炼等活动会导致土壤中砷的累积,给农产品质量安全和土壤微生物带来不利影响。本文研究了外源砷进入黄壤(YS)和紫色砂页岩发育土壤(RS)后有效砷含量随时间的变化,并采用MiSeq高通量测序研究土壤中细菌和古菌在未加砷和外源砷胁迫1、30、360 d后的群落变化,探讨砷胁迫下土壤细菌和古菌的适应机制。结果表明: 外源砷进入土壤后,土壤有效砷含量随时间推移逐渐降低,并显著影响土壤细菌和古菌的群落组成。土壤细菌的优势菌群丰度变化显著;而古菌中仅丰度较低的菌群发生显著改变,优势菌群丰度变化较小,推测古菌群落具有高耐砷性和稳定性。与砷胁迫时间相比,土壤砷的有效性对细菌和古菌群落结构的影响更大。研究结果可为砷污染农田的安全利用及微生物修复等提供参考。     

蜈蚣草中砷超富集的分子机制研究进展

砷是一种毒性很强的类金属元素,土壤砷污染可引发一系列食品安全问题,进而威胁人类健康。蜈蚣草具有极强的富集砷的能力,在砷污染土壤的植物修复中具有重要的应用价值。深入阐释蜈蚣草超富集砷的分子机制是植物修复技术的核心理论基础。文中综述了蜈蚣草超富集砷的组学研究进展,以及目前鉴定到的砷富集过程中的重要分子元件,并对未来的研究方向和趋势进行了展望。     

Phytoextraction of arsenic from soil by Leersia oryzoides

The potential of Leersia oryzoides (rice-cut grass) to remediate arsenic-contaminated soil was studied in greenhouse pot experiments. Leersia oryzoides grown in soil amended with arsenic to a concentration of 110 mg kg(-1), extracted up to 305 mg kg(-1) and 272 mg kg(-1) arsenic into its shoots and roots, respectively, giving a shoot:root quotient of 1.12 and phytoextraction coefficients up to 2.8. Plants in the arsenic-amended soil showed visible signs of stress in the first 8 wk of growth, but then recovered. Based on the 132 plants that were grown in a surface area of approximately 180 cm2, the calculated total arsenic taken up by shoots is 120, 130, and 130 g ha(-1) at 6, 10, and 16 wk, respectively, suggesting that additional arsenic could be removed by periodic mowing over a growing season. Extraction with a mixture of nitric acid and hydrogen peroxide indicated that the available arsenic was constant after the first 6 wk. Uptake is comparable to that reported for duckweed (Lemna gibba L.) and overlaps the low end of the values reported for Chinese brake fern (Pteris Vittata L.)