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本文聚焦砷污染生物修复，从含砷污水中分离出一株自养嗜麦芽窄食单胞菌（Stenotrophomonas maltophilia），其具高砷代谢和挥发能力。研究鉴定出相关甲基转移酶基因，为砷污染治理提供了环保新方案。
研究背景与目的
砷（As）是地壳中第 20 丰富的元素，通过自然过程及人类活动进入环境，其无机化合物毒性强且致癌。全球超 1.4 亿人受砷污染饮用水影响，传统物理化学修复方法成本高、 scalability 差，因此生物修复成为研究热点。微生物可通过多种机制与砷相互作用，其中挥发作用能永久去除砷，具有重要应用潜力。本研究旨在从含砷污水中分离高效砷挥发微生物，鉴定相关基因并探索其应用价值。
材料与方法
- 样品采集与分析：从印度勒克瑙 10 个区域采集水样，通过电感耦合等离子体质谱（ICP - MS）检测重金属浓度，筛选出高砷含量的样品 8（75 ppb）用于后续研究。
- 微生物分离与筛选：利用含卡那霉素的 LB 琼脂平板从样品 8 中分离出 9 个抗砷菌落，经 M9 minimal 培养基培养筛选，最终确定 C1、C5、C8 三个高抗砷菌落进行深入研究。
- 基因分析与表达：通过 PCR 扩增检测砷代谢相关基因（arsRABC、arsM、aioA 等）的存在，实时荧光定量 PCR（qPCR）分析基因表达水平。
- 砷挥发验证：采用硝酸纤维素膜捕获法验证菌株的砷挥发能力，并在模拟自然环境（自来水）中进行挥发效果评估。
- 基因组测序与异源表达：对 C5 和 C8 进行全基因组测序，鉴定出Stenotrophomonas maltophilia菌株（C8）中的甲基转移酶基因（arsM），将其克隆至大肠杆菌（E. coli）BL21 (DE3) 中进行异源表达，验证其砷挥发能力。
结果
- 元素分析与基因检测：样品 8 中砷浓度最高（75 ppb），且检测到完整的砷抗性操纵子（arsRBC）及甲基化、氧化、还原等相关基因。
- 微生物存活与砷去除：C1、C5、C8 在 10 - 500 ppm 砷浓度下均能存活，48 h 内去除培养基中 50% 的砷，其中 C5 和 C8 的砷挥发能力显著，挥发的砷被捕获在膜上（101 ppb）。
- 基因表达与基因组特征：aioA 和aoxB 基因在各菌株中均上调表达。C8 基因组中鉴定出 20 个潜在的 S - 腺苷甲硫氨酸（SAM）依赖型甲基转移酶基因，其中 2 个（3d1 和 3d6）在大肠杆菌中异源表达后，使重组菌在 48 h 内挥发砷达 86 ppb。
- 抗性基因与应用潜力：菌株 C5 和 C8 基因组中存在多种重金属（铜、锌、镍等）和多药耐药基因，C8 的Stenotrophomonas maltophilia菌株虽为机会致病菌，但其甲基转移酶基因在非致病菌大肠杆菌中的表达为安全修复砷污染提供了可能。
讨论与结论
本研究分离的Stenotrophomonas maltophilia菌株具有高效砷挥发能力，无需有机碳源，适应高砷环境（500 ppm），其基因组中的甲基转移酶基因（arsM）是砷挥发的关键。通过异源表达将这些基因导入非致病菌，避免了菌株本身的安全性问题，为砷污染的生物修复提供了一种自然、环保的新工具。该研究不仅丰富了微生物砷代谢的知识，也为实际应用中设计高效、可持续的砷污染治理策略奠定了基础。
