砷污染地下水中微生物砷碳代谢耦合机制及其对全球碳循环的启示

《Journal of Environmental Sciences》：Coupling mechanisms between microbial arsenic metabolism and carbon cycling in arsenic-contaminated groundwater

本文综述了砷（As）污染如何重塑地下水微生物群落结构及功能，揭示了微生物通过砷代谢基因（如aioA、arrA、arsM）与碳（C）循环基因（如CH4氧化、CO2固定）的耦合网络，在胁迫环境下实现能量权衡与生态稳定性维持的创新机制，为污染地下水系统的碳中性策略提供理论依据。

　　

Highlight

环境参数在有毒组和安全组间的差异

长期工业活动导致华南某污染场地地下水水文地球化学参数呈现显著空间分异。氧化还原电位（Eh）范围在-190.83至-14.15 mV之间，有毒组平均为-116.03 mV，而安全组为-102.28 mV。有毒组的溶解氧（DO）水平（平均0.56 mg/L）高于安全组（0.26 mg/L）（图1）。有毒组在总砷、pH和总溶解固体（TDS）等方面表现出显著差异。例如，有毒组平均总砷浓度高达安全组的20倍以上，pH值也更偏酸性。此外，有毒组中砷形态以三价砷（As(III)）为主，占比超过50%，这与其更强的还原环境相一致。

Discussion

我们的结果表明，地下水中的砷污染通过地球化学、分类学和共现网络的重组，触发了层次性的微生物适应性响应。结果显示，两组样品均表现出明显的还原特征，尤其在有毒组中，三价砷（As(III)）占砷形态的50%以上。值得注意的是，与安全组相比，有毒组显示出显著更高的TDS和总砷浓度（图1；Lu等人，2024）。这些地球化学差异直接驱动了微生物群落结构和功能基因分布的深刻变化。

Conclusions

地下水中的砷污染通过相互关联的地球化学、分类学和功能网络重组，驱动了层次性的微生物适应性。在还原条件下，有毒组富集了更多的砷还原基因（如arsC和GST）以及好氧甲烷（CH₄）氧化、产甲烷作用和碳降解相关基因。共现网络揭示了功能复杂性与生态稳定性之间的权衡关系：砷胁迫增强了微生物间的合作，但也使相互作用变得不稳定，促使群落采用更灵活的能量分配策略来维持功能。