淡水硅藻的砷甲基化和砷氧化代谢机制

作     者：王雨璇 陈冠虹 喻敏 DE Vadim 李芳柏 方利平 WANG Yuxuan;CHEN Guanhong;YU Min;DE Vadim;LI Fangbai;FANG Liping

作者机构：佛山科学技术学院食品科学与工程学院佛山528241 广东省科学院生态环境与土壤研究所广东省农业环境综合治理重点实验室广州510650 

出 版 物：《环境工程学报》 (Chinese Journal of Environmental Engineering)

年 卷 期：2023年第17卷第5期

页      面：1620-1630页

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(42007292) 中国博士后科学基金资助项目(2020M680116) 广东省科学院实施创新驱动发展能力建设专项(2019GDASYL-0102006,2019GDASYL-0102002-3)。 

主　　题：淡水硅藻 砷甲基化 砷氧化 硅酸盐转运 砷解毒策略 

摘      要：硅藻砷甲基化和氧化过程在淡水生态系统砷生物地球化学循环中发挥重要作用,并且硅藻的重金属抗性与营养元素硅酸盐有效性紧密相关。然而,不同硅藻对无机砷的转化能力和砷抗性差异,硅酸盐对硅藻砷转化的影响机制尚不清楚。选取2种淡水硅藻,即针状菱形藻(Nitzschia acicularis)和谷皮菱形藻(Nitzschia palea),作为研究对象,探究其砷甲基化和氧化作用,以及硅酸盐影响下砷转化和此过程中的相关基因转录活性。结果表明,硅藻暴露于As(Ⅲ)的10 d培养期内主要产生二甲基砷,针状菱形藻的二甲基砷转化率为5.54%,高于谷皮菱形藻的转化率(0.80%)。谷皮菱形藻的As(Ⅲ)氧化作用比针状菱形藻强,前者和后者的氧化率分别为90.1%和3.2%。2种硅藻砷甲基化和氧化能力的差异表明不同硅藻As(Ⅲ)胁迫下的主要砷抗性策略不同。针状菱形藻在As(Ⅲ)胁迫下显著上调砷甲基转移功能基因(arsM)表达,并显著下调硅酸盐转运基因(sit)表达。这表明硅藻驱动胞内砷甲基化反应和减少硅/砷转运活性,从而有助于胞内砷解毒和减少As(Ⅲ)吸收。硅酸盐添加对针状菱形藻的arsM基因表达没有明显影响,但上调了线粒体核糖体RNA 12S基因表达,同时促进As(Ⅲ)向As(Ⅴ)转化,这表明硅酸盐可促进硅藻砷氧化和呼吸产能活性,有助于增加硅藻对砷的抗性。本研究证实了硅藻间砷甲基化和氧化能力差异,并且硅酸盐是影响其砷转化的重要因素,可为硅藻应用于砷污染水体修复提供参考。