农田土壤中有机砷的转化及其微生物学机制

由于有机砷化合物作为牲畜饲料添加药物的大量使用，其粪便作为肥料造成农田中有机砷的严重污染，对人类健康产生了威胁，人们非常关注土壤中有机砷的转化和去除。为了探索土壤中有机砷微生物转化的关键问题，本项目将首先筛选到能够转化有机砷的微生物菌株，将通过一系列实验确定其有机砷转化的关键因素，之后进一步进行有机砷微生物转化机制的研究。通过基因工程手段提高微生物体内转化因子的表达，增强其转化有机砷的能力，将有机砷添加剂转变为无机砷，再进一步转变为可挥发的砷化合物。从而达到去除农田土壤中有机砷化合物，修复农田土壤的目的。对阐明砷的有机态和无机态之间的相互转化和土壤有机砷污染的微生物修复都具有重要的现实意义。

摘要：农田土壤因长期施用牲畜粪肥而造成砷污染，土壤中的砷经食物链进入人体，严重威胁食用人群的健康。土壤中砷的原位修复一直是一个难题，因植物修复速度较慢，土壤中砷的微生物挥发修复是一个有很好应用前景的研究。本文通过筛选，获得砷耐受菌株，通过分子生物学手段，将砷甲基化基因转入细菌中，增强其挥发砷的能力，其甲基化砷的能力比相应的野生型提高了10倍，在实际砷污染土壤中，30天内去除2.2-4.5%土壤中的砷。.为了防止存在于质粒上的砷甲基化基因arsM在应用过程中丢失而失去挥发砷的能力，我们通过合成生物学手段，成功将该基因合成到适应环境能力强，耐受多种重金属的植物生长促进菌Pseudomonas putida KT2440的染色体中，形成基因工程菌GE Pseudomonas putida KT2440。本实验结果表明，将GE P. putida KT2440暴露于添加有20M As(III)或As(V)的LB培养基中，培养基中的甲基砷含量最高可达到95.0%或45.9%，并以DMA为主。产生的气态砷分别为1354.1 ng和856.3 ng，约是野生型的1000倍。将其运用于实际砷污染土壤（20 mg/kg）的修复。土壤气态砷挥发的总量显著增高，是未添加该菌的土壤挥发砷的约5倍。向土壤中外源添加As(III)使土壤总砷含量达到30 mg/kg，以提高砷的生物有效性。经过6天的培养发现所产生的气态砷显著增高，提高了近50倍，说明土壤中砷的生物有效性是砷挥发去除的主要限制环节，限制了土壤中砷挥发去除。