藻圈细菌群落调控沿海大型藻类中的砷积累和形态转化：来自野外调查的证据

《Journal of Hazardous Materials》：Phycosphere Bacterial Communities Mediate Arsenic Accumulation and Speciation in Coastal Macroalgae: Evidence from Field Investigation

砷的生物积累与转化受藻类-细菌共生体系调控，研究三种滨海藻类（褐藻L. japonica、绿藻U. pertusa、红藻M. japonica）的表型微生物群落发现，细菌α/β多样性差异与内源砷形态相关，褐藻和红藻富集pst/GST基因促进砷解毒，绿藻高表达arsC基因指向砷还原。揭示了微生物群落驱动无机砷向有机砷转化的机制，为评估滨海生态系统中砷生物地球化学提供依据。

　　
研究聚焦于三种典型海藻——褐藻Laminaria japonica、绿藻Ulva pertusa和红藻Mazzaella japonica的砷生物地球化学过程，重点解析其表面菌群结构与砷形态转化的关联机制。该研究基于2023年冬季大连湾 rocky intertidal生态系统采样，采用多组学整合分析策略，揭示了不同藻类-菌群共生系统中砷代谢的显著差异。

在生态功能层面，宏观藻类作为近海生态系统核心生产者，其砷富集能力直接影响食物链传递风险。研究数据显示，褐藻L. japonica的总体砷含量（3.25-13.15 mg/kg干重）显著高于红藻（6.60-8.90 mg/kg）和绿藻（1.37-8.23 mg/kg），其中红藻M. japonica在HSJ采样点达到8.90 mg/kg，超过中国饲料卫生标准（GB13078-2017）40 mg/kg限值的22.25%。这种显著的物种特异性差异提示藻类本身生理结构、代谢途径及菌群共生关系存在协同调控机制。

砷形态转化研究揭示了复杂生物地球化学过程。实验检测到五种主要砷形态：无机砷（As(V)/As(III)）、甲基胂酸（MMA）、二甲基胂酸（DMA）、砷糖类（AsS-OH/PO?/SO?/SO?）及有机砷（AsB/AsC）。其中褐藻L. japonica的As(V)占比达72.3%，而红藻M. japonica的有机砷占比达58.7%。这种形态分布差异与菌群功能基因特征高度相关，在褐藻和红藻表面菌群中检测到pst系统基因（占比分别达18.7%和21.3%）和arsC还原酶基因（占比达14.2%），而绿藻中仅检测到arsC基因（占比9.8%）。

菌群结构分析显示三个物种的α多样性指数（Shannon指数）分别为2.14、1.89、2.01，β多样性（基于Bray-Curtis距离）在0.65-0.78区间波动，表明不同藻类形成了稳定的微生态群落。功能基因预测发现：褐藻和红藻的谷胱甘肽S-转移酶（GST）基因丰度分别达到4.2×103和3.8×103拷贝/gDNA，显著高于绿藻的1.9×103；而绿藻的arsC基因丰度达2.1×103，是褐藻的2.3倍。这种功能基因的分布差异与砷形态转化效率直接相关，GST基因富集的物种其有机砷占比提升40%-60%。

环境梯度研究表明，四个采样点（LS、LSP、LSJ、HSJ）的宏观藻类砷积累存在显著空间异质性。其中褐藻L. japonica在HSJ采样点的总砷含量达12.8 mg/kg，超过国家标准值的三分之一。而红藻M. japonica在LS采样点显示AsS-PO?占比高达45.6%，其表面菌群中硫酸化酶基因（AsS-SO?相关基因）丰度达2.4×103拷贝/gDNA，显著高于其他采样点。

微生物组功能分析发现三个关键调控途径：1）砷转运系统：所有藻类表面菌群均携带phoU/pstA/pstB/pstC基因簇，其中褐藻的pst基因簇拷贝数达1.8×10?/gDNA，是绿藻的3.2倍；2）砷还原代谢：红藻表面菌群中arsC基因丰度达1.9×103/gDNA，其编码的砷还原酶活性较褐藻高2.8倍；3）甲基化途径：褐藻和红藻表面菌群均检测到arsM基因，其中红藻的arsM/pst系统基因比为1:0.87，显著高于褐藻的1:2.31。

该研究创新性地提出"菌群-宿主协同代谢模型"，揭示出三个核心机制：首先，褐藻通过高密度pst系统基因实现无机砷高效转运（转运效率达2.3×10?12 mol/(m2·s·mg As3?)），其次红藻表面菌群中arsC基因介导的砷还原反应可降低环境砷毒性达63.8%，最后绿藻依赖GshS系统（谷胱甘肽S-转移酶）将无机砷转化为甲基胂酸（MMA生成效率达4.2×10?? g/g·h）。这些发现为制定不同藻类砷污染防控策略提供了理论依据，例如针对L. japonica可开发基于phycosphere菌群调控的被动修复技术，而对M. japonica需重点关注AsS代谢途径的环境风险。

在食品安全维度，研究证实褐藻L. japonica的砷形态转化效率与人类健康风险呈显著负相关（r=-0.82，p<0.01）。通过建立砷形态转化动力学模型，发现当AsB/AsC占比超过35%时，砷毒性可降低至无机砷的1/20以下。这为制定藻类食品砷限量标准提供了科学依据，建议将总砷含量限值从现行40 mg/kg（干重）下调至25 mg/kg，并建立砷形态转化效率的动态评估体系。

生态修复方面，研究证实红藻M. japonica的表面菌群具有更强的砷固定能力（固定效率达1.7×10?? g/g·d），其主导的AsS-PO?转化途径可提升土壤砷淋失风险指数达0.83。建议在近海生态修复工程中，采用"褐藻-红藻混种"模式，通过菌群互作降低总砷生物有效性（混合种植可使总砷生物有效性降低42.7%）。此外，绿藻U. pertusa的快速生长特性（日均增速达2.8 cm）可形成生物护盾，有效截留沉积物中的可交换态砷（形态占比达68.2%）。

该研究还存在三个待解决的科学问题：1）不同藻类菌群间的代谢物质交换机制尚未明确，特别是硫循环相关基因（如sulfotransferase）在砷形态转化中的潜在作用；2）环境砷形态分布与菌群α多样性存在非线性关系，需建立更精细的生物地球化学模型；3）现有研究多基于实验室培养条件，野外环境中的菌群功能适应性仍需验证。后续研究可结合宏基因组代谢组学，解析菌群间通过质粒交换或分泌代谢物完成的砷形态转化协同机制。

该成果已应用于大连湾三个养殖区的砷污染防控，通过调整藻种配比（L. japonica从42%降至28%）和补充特定功能菌群（如携带arsC基因的Pseudomonas sp.），使养殖区总砷含量平均降低31.6%，同时提升有机砷占比至57.8%，显著优于传统治理措施（p<0.05）。该技术方案已获得2023年度国家海洋环境治理科技进步二等奖，并在渤海湾12个养殖区推广应用，累计减少砷污染排放达8.7吨/年。