土-水环境中小球藻的砷代谢特征及其分子机制

Arsenic is a pervasive and ubiquitous environmental toxin that has created numerous environmental problems around the world. To understand the physiological and biochemical characteristics and the regulations of the key functional gene expression in the typical eukaryotic green alga Chlorella vulgaris under arsenic exposure, in this study, the applicant will analyse cell apoptosis, intracellular arsenic biotransformation and identify arsenite methyltransferase gene by some technical means including flow cytometry, HPLC-ICP-MS, real-time PCR and prokaryotic expression. All this work will elucidate the characterization of arsenic metabolism and molecular mechanism in the green alga. Moreover, it will be helpful to illustrate the connection between eukaryotic alga and arsenic biogeochemistry cycle. These results will enrich the theory on biochemistry and environmental biology; open up a new way for environment medium-pollutant-eukaryotic alga interaction research; supply some scientific bases for bioremediation of arsenic pollution by alga.

砷是一种无处不在的环境有毒物质，全球性砷污染日益严重。本项目选取典型真核绿藻小球藻作为研究对象，通过砷暴露模拟实验，运用流式细胞术、高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱分析、实时荧光定量PCR、原核表达技术等手段，分别从砷对小球藻的细胞凋亡影响、细胞对砷的富集、转化和挥发以及砷甲基化基因的克隆和功能分析等方面，分析砷暴露下小球藻的生理生化特性和关键功能基因的表达调控方式。深刻探讨小球藻砷代谢特征及其分子机制，阐明土水环境中真核绿藻与砷的生物地球化学循环的联系。研究结果可丰富生物化学和环境生物学的理论，为环境介质-污染物-真核藻类相互作用的深入研究开辟新的思路，在实践上可为藻类修复砷污染环境提供科学依据。

砷（As）是一种无处不在的有毒元素，砷污染已成为当前世界环境问题的热点。本项目拟以前期对细菌砷生物转化机制的研究为基础，以典型真核藻类小球藻为研究对象，探讨水土环境中常见的真核藻类对砷的毒性反应，吸收转化特性，以期阐明小球藻对砷的代谢特征和分子调控机制。. 小球藻是一种光合真核绿藻，广泛存在于土壤以及各种水生环境。本研究首先探讨了该藻对砷的富集和耐受机理。实验结果显示：小球藻具有较强的砷耐受能力，只有暴露在高浓度砷（0.2 mM）时，其细胞的生长才会出现明显的抑制。在不同浓度（0、50、100、500 µM）的As（V）的溶液中处理2周后，藻体内的砷含量均随着外部砷浓度的增加而增加。藻体内的砷形态数据证实，在所有的处理中，无机As（V）和As（III）是体内的主要砷形态, 其中无机As（V）的浓度占总砷的80%以上, 甲基砷（DMA(V)）只有在外部砷浓度达到100 µM的情况下才能在体内检测出。此外，小球藻还能够将As（III）氧化为毒性相对较低的As（V）来实现自身的解毒。. 本项目还首次探讨了小球藻（Chlorella vulgaris）对砷的甲基化能力。当暴露于不同浓度As（V）溶液，处理2周后，藻体内能检测出甲基砷（DMA（V））。此外，当暴露于100、400 µM 的Na3AsO4溶液，处理3周后，均产生一定量的气态砷，而且气态砷的产量随着暴露砷浓度的增高而增加。小球藻的砷甲基转移酶基因(arsM)被克隆，将它们表达在对砷高度敏感的大肠杆菌突变株AW3110（ars operon被敲除）中，能提高显著细胞对As（III）的抗性。纯化的ArsM蛋白质 (CvArsM)能在体外将As（III）甲基化，生成一系列的甲基砷化物。. 本研究对于深入探讨真核藻类对砷的生物转化特性，理解真核绿藻在砷的地球化学循环中的作用有着重要的理论意义，在实践上可为藻类应用于修复砷污染环境提供科学依据。