氢驱动锑酸盐还原的微生物新机制：两种典型锑污染环境中氢氧化耦合锑(V)还原的发现及其生态意义

中国研究人员在锑污染治理领域取得突破，首次发现氢氧化耦合锑(V)还原(HOSbR)的新型生物地球化学过程。通过DNA稳定同位素标记(SIP)和宏基因组分析，鉴定出寡营养尾矿中的Azospirillum spp.和富有机质河流沉积物中的Hydrogenophaga spp.为关键功能菌群，揭示了其通过不同碳固定途径(CBB/rTCA)驱动HOSbR的分子机制。该研究为锑污染修复提供了新思路，并发现Azospirillum spp.兼具固氮功能，可同步改善尾矿生态。

　　

锑(Sb)作为有毒类金属，因采矿活动在全球范围内造成严重环境污染。中国作为全球最大的锑生产国，其矿区周边水土中锑浓度常超标数千倍，例如杜杉小河流域锑浓度高达7,990 μg/L，远超WHO限值(5 μg/L)。传统认知中，微生物介导的锑(V)还原主要通过有机质氧化或硫氧化驱动，但氢(H₂)作为广泛存在于厌氧环境的能量载体，其参与锑循环的潜力长期被忽视。

针对这一科学空白，中国科学院等机构的研究团队选取世界最大锑矿——锡矿山作为研究对象，对比分析了寡营养尾矿(Sb 1,539.9 mg/kg)和富有机质河流沉积物(Sb 159.7 mg/kg)两种典型生境。通过热力学计算发现，H₂氧化耦合锑(V)还原(HOSbR)的吉布斯自由能(ΔG'=-214 kJ/mol)与已知的硫氧化耦合锑(V)还原(SOSbR)相当，提示其潜在环境重要性。

研究采用三项关键技术：1) DNA稳定同位素标记(SIP)结合qPCR追踪¹³C标记的活性功能菌；2) 宏基因组分箱获取氢氧化锑(V)还原菌(HOSbRB)的代谢通路基因；3) 乙炔还原法测定尾矿中固氮酶活性。样本队列来自湖南锡矿山尾矿及下游河流的20-40 cm深度沉积物(n=5)。

氢氧化耦合锑(V)还原的 biogeochemical 证据
微宇宙实验显示，仅H₂添加组实现完全锑(V)还原(0.29 mM Sb(III))，伴随H₂浓度从9.54降至4.03 mM，而灭菌对照组无此现象(图1)。这一发现首次证实HOSbR在自然生境中的存在。

DNA-SIP鉴定关键功能菌群
¹³C标记实验显示，尾矿中Azospirillum(29.3%)和河流沉积物中Hydrogenophaga(57.4%)在重密度DNA片段显著富集(图3)。宏基因组分箱获得33个高质量MAGs，其中MAG08(Hydrogenophaga)含1b/3d型[NiFe]氢化酶和完整CBB循环基因，而MAG06(Azospirillum)携带1c型[NiFe]氢化酶和rTCA循环关键酶(图4)。两者均含锑(V)还原酶基因(anrA/arrA)，揭示其分子机制差异。

Azospirillum的生态双重功能
网络分析表明Azospirillum是尾矿微生物网络的枢纽节点(连接度31)。其MAG06含固氮酶基因(nifH)，实验证实H₂添加组固氮活性(1,564.1 μM/g)与Azospirillum丰度(10.02%)显著正相关(图6)。格兰杰因果模型证明两者存在因果关系(p<0.05)，表明该菌可同步驱动锑固定和尾矿氮素补充。

该研究在《Microbiome》发表的重要发现包括：1) 全球首次报道HOSbR过程；2) 揭示Hydrogenophaga和Azospirillum通过不同代谢通路(CBB/rTCA)驱动HOSbR；3) 阐明Azospirillum作为关键物种(kystone taxa)在尾矿修复中的双重功能。这不仅拓展了对锑生物地球化学循环的认知，更为开发"以菌治污"的尾矿修复策略提供了理论依据——Azospirillum可同时降低锑迁移性(Sb(V)→Sb(III))并改善寡营养环境，具有显著的生态工程应用潜力。