喀斯特地区污染稻田自养型厌氧砷氧化的微生物机制

The Karst region is the major rice producing area in China. However, the rice paddy soil in this region are heavily contaminated by arsenic, which migrates the rice and threatens the human health. Attenuation of arsenic contamination in rice paddy soil is highly desired in this region. For this purpose, we propose the studies regarding the anaerobic arsenite oxidation by autotrophic bacteria in paddy soil. The proposed studies target on the elevated carbonate concentrations in Karst region and will explore the interactions between inorganic C, N, and As cycling. We aim (1) to investigate the concentrations of various arsenic species in different depth-resolved profiles of rice paddy soil to elucidate the geochemical evidence of anaerobic arsenite oxidation; (2) to characterize the innate microbiota to explore the microbial response to environmental factors such as various As species; (3) to illustrate the phylogenies of arsenite oxidizing bacteria and clarify the metabolic activities of arsenite oxidizing bacteria by coupling SIP,Metagenomics,and Contig binning. The results of the current study is critical to understand the microbially-mediated arsenic cycling and interplay between multiple elements cycling (C, N, and As). Such knowledge can be used to guide the engineering practice to remediate As contamination in rice paddies as well.

西南喀斯特地区是我国重要稻米产区之一，但是该区域稻田土壤砷污染严重，影响人体健康，亟需相关方法解决砷污染问题。本项目针对喀斯特地区碳酸盐含量高这一特点，提出了自养型厌氧砷氧化的研究主题，聚焦于无机碳循环、砷循环与氮循环的耦联关系。主要通过以下三个方面展开工作：（1）通过地球化学手段来获取稻田土壤剖面中砷的赋存形式，从而探索自养型砷氧化在喀斯特地区稻田土壤中的地球化学印迹。（2）通过分子生物学手段分析稻田土壤中的微生物群落种群信息及其基因组学信息，探索微生物与环境污染因子的反馈及响应机制。（3）同时，使用稳定同位素示踪-宏基因组-单菌草图组装联用平台，揭示自养型砷氧化的功能微生物种属以及自养型砷氧化的代谢途径。本课题潜在的成果将对认识微生物驱动的砷循环，以及多元素（碳、氮、砷）耦联循环等基础科学问题有着重要意义，同时也能运用此理论知识指导污染修复实践。

本项目瞄准我国西南部喀斯特地区土壤中突出存在的砷污染问题，深入研究污染土壤中的微生物砷氧化机制。在自然界中，微生物参与某一类特定元素(如砷)的形态转化过程并不是独立发生的，而是同碳、氮、硫、铁等多种关键元素的转化过程紧密耦合关联，为厘清微生物驱动的砷与无机碳、氮等的耦联循环关系，本项目深入剖析了西南多个喀斯特含砷污染地区中砷与多种土壤关键元素的地球化学特征，调查场地中微生物的群落特征及其生存策略，利用多种统计学方法进行微生物对砷污染响应的研究，探究砷及关键元素与微生物群落之间的相互作用关系。利用新型环境分子诊断技术平台对土壤中参与砷氮耦联的自养微生物机制进行研究，获得了自养型厌氧砷氧化在稻田中广泛存在的地球化学和地质微生物学证据，鉴定了多种潜在的自养型砷氧化细菌，重点分析了喀斯特地区砷污染土壤中砷微生物转化的关键微生物种群及功能基因分布，也对砷相关功能菌进行代谢能力和应用潜力的初探，有助于实现降低砷的毒性与迁移性，为实现生态修复提供科学的策略依据。