As3+ 应激对 Pseudanabaena sp. 的影响以及通过代谢组学和转录组学分析探索其富集机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effects of As3+ stress on Pseudanabaena sp. and exploration of its enrichment mechanism through metabolomics and transcriptomics analysis

研究通过整合转录组和代谢组学分析，揭示了青蒿（Pseudanabaena sp.）在砷离子（As3?）胁迫下的细胞响应机制，发现其通过代谢重编程、Cys-Gly-Cys三肽螯合及Acr3型ArsB转运蛋白介导的解毒过程实现适应，并构建了四阶段As3?响应模型。

　　

乔青|李晓宇|史俊|邓慧萍|裴海润

同济大学环境科学与工程学院，中国上海200092

摘要

我们利用整合转录组学和非靶向代谢组学分析方法，研究了蓝细菌Pseudanabaena sp.在砷(As3?)压力下的细胞响应和富集机制。暴露于As3?的培养物产生了1071种可检测的代谢物，其中225种发生了显著变化（p < 0.05，VIP > 1），其中209种代谢物下调。代谢途径分析显示，嘌呤和嘧啶代谢、ABC转运蛋白底物、精氨酸生物合成、淀粉和蔗糖代谢以及谷胱甘肽相关途径受到明显抑制。平行RNA-seq分析鉴定出20个差异表达基因（变化倍数 > 0.58，p < 0.05），包括上调的应激适应因子和下调的DNA前体合成相关基因（nrdJ）、氮同化相关基因（ureC、urtB/C/D）以及外排转运蛋白相关基因。综合分析揭示了As3?应激的四个阶段：通过磷酸通道吸收、代谢锁定、ABC转运蛋白介导的解毒以及膜重塑以实现外排。值得注意的是，巯基三肽Cys–Gly–Cys的选择性消耗表明其可能具有早期解毒作用。对Acr3型ArsB转运蛋白的同源建模显示，其具有亲水性结合口袋，能够结合Cys–Gly–Cys及其砷(As3?)结合物，支持其依赖于巯基的外排机制。我们的结果表明，Pseudanabaena sp.通过有限的转录变化、广泛的代谢重编程、巯基介导的解毒作用以及靶向转运蛋白的协助，能够耐受急性砷(As3?)压力。

引言

砷（As），尤其是三价形式（As3?），是一种全球性的环境污染物和强效毒素。它被归类为受监管的危险物质和持久性污染物，对环境、农业和人类健康造成严重危害[1]、[2]。在许多地区，砷从天然沉积物和人为来源（如采矿、农业）渗入水系统，地下水中的砷浓度可高达2000 μg/L[1]。长期接触含砷水可能导致氧化应激、器官损伤和致癌[3]、[4]。甚至水处理过程也会在副产品污泥中浓缩砷：富含氢氧化铁/铝的水处理残渣通常含有从原水中去除的痕量金属（如Ni、Cu、Zn）[5]、[6]，偶尔还可能含有较高浓度的砷[7]。因此，地表水和地下水（及相关废水流）中的砷污染构成了全球性的公共卫生挑战。

在中国经济繁荣的长江三角洲地区，太湖流域支撑着上海、苏州和杭州等大城市[8]。在这一区域，确保清洁和可持续的饮用水不仅对公共卫生至关重要，也对支持密集的工业和农业活动必不可少[8]、[9]。水处理厂运营的一个关键环节是处理沉淀和澄清过程中产生的污泥水。虽然这些污泥在去除颗粒污染物方面起着重要作用，但在脱水过程中往往会富集砷等有毒元素[10]。特别是在上海这样的城市，由于砷浓度较高，污泥的最终处置或资源利用面临诸多挑战，限制了填埋和回收的选择[11]。

鉴于全球对砷污染的关注，基于生物的修复策略因其成本效益和可持续性而受到越来越多的关注。微生物，尤其是细菌和蓝细菌，在自然和人工环境中对砷的循环起着关键作用[12]。多种藻类因具有吸收和转化金属的能力而在砷生物修复方面显示出潜力。已知淡水微藻可以从水中吸收砷，并能耐受较高的砷浓度[13]、[14]、[15]。这些生物不仅能够耐受砷压力[16]，还能主动将砷在不同氧化态之间转化，从而影响其迁移性和毒性[17]、[18]。例如，通过涉及arsC和arrA基因的酶促机制，砷酸盐（As??）可以还原为更具毒性的亚砷酸盐（As3?），反之亦然[18]、[19]、[20]。一些微生物将砷甲基化为挥发性或毒性较低的有机砷化合物[21]，而另一些则通过ArsB和Acr3等抗性蛋白将砷内化或外排[18]、[20]、[22]、[23]、[24]。这些适应策略对于微生物在富砷环境中的生存至关重要，并构成了砷生物修复的基础（图1）。

在微生物中，蓝细菌表现出耐受和积累大量砷的能力[17]。常见于富营养湖泊系统（如太湖）的蓝细菌Pseudanabaena sp.在动态的水生生态系统中茁壮成长[13]，并在金属压力下表现出代谢灵活性[13]。尽管已有研究利用整合转录组学和代谢组学方法研究了几种微藻和蓝细菌对砷及其他重金属的压力响应[25]、[26]、[27]，但大多数研究是在受控实验室条件下进行的，且通常集中在模式物种上。此外，尽管这些研究揭示了重要的代谢途径（如谷胱甘肽代谢、抗氧化反应和砷相关转运蛋白的调控），但仍有一些关键方面尚未得到充分探索：转录变化之前的早期代谢变化、非谷胱甘肽巯基肽在初始砷螯合中的作用、外排转运蛋白识别砷结合物的结构基础，以及所研究生物在真实世界砷污染环境（如水处理污泥）中的生态相关性。为了阐明这些机制，结合转录组学和代谢组学的整合多组学方法[25]、[28]、[29]为Pseudanabaena sp.的压力响应提供了前所未有的见解。这些工具[30]使我们能够从系统层面理解生物如何响应和调节砷的积累和解毒。

在这项研究中，我们基于中国太湖流域饮用水处理厂污泥水中砷富集的实际问题，确定Pseudanabaena sp.是实际水处理厂污泥中季节性砷积累的主要物种（图2）。随后，我们研究了Pseudanabaena sp.对砷(As3?)压力的响应。通过转录组学和代谢组学分析，我们不仅描述了压力响应，还识别了早期螯合代谢物，重建了分阶段的解毒模型，并提供了转运蛋白-配体相互作用的结构信息。我们的工作揭示了Pseudanabaena sp.适应富砷环境的分子策略，为优化污泥处理和饮用水处理设施中的砷稳定提供了实际意义。这项研究为将多组学技术应用于环境生物技术和可持续水资源管理提供了新的范例。

材料与试剂

蓝细菌菌株Pseudanabaena sp. FACHB-1998来自中国普通微生物菌种保藏中心，在实验前进行了传代培养。亚砷酸盐（As3?）标准溶液购自PureChemland Standard Technology Co., Ltd.（中国四川）。BG11生长培养基购自北京恒德盛生物技术有限公司。实验中使用的其他化学物质和试剂包括乙醇、硫酸、苯酚、醋酸钠等。

季节性藻类驱动砷富集

相关性分析（图2A）显示，污泥水中的砷（As）浓度与温度、总有机物和可吸收有机物呈正相关。值得注意的是，来自Q水库的两座水处理厂（NS和HN）的相关系数分别为0.549和0.528，表明砷含量与这些环境参数之间存在显著相关性。相比之下，pH值与砷含量之间的关系

结论

通过整合225个差异表达代谢物（DEMs）和20个显著差异表达基因（DEGs），本研究表明Pseudanabaena sp.在砷(As3?)压力下采取了一种自我保护策略，其特征是“有限的转录响应伴随广泛的代谢重编程”（图7）。三价砷（As3?）可能直接穿透脂质膜或通过磷酸通道进入细胞。一旦内化，As3?会与Cys-Gly-Cys结合

作者贡献

乔青：撰写原始稿件、进行研究、概念构思、方法设计、撰写与审稿。李晓宇：进行研究、数据整理。史俊：数据整理。邓慧萍：进行研究、提供资金支持、撰写与审稿。裴海润：方法设计、撰写与审稿、监督。

CRediT作者贡献声明

乔青：撰写-审稿与编辑、撰写-原始稿件、方法设计、研究、概念构思。李晓宇：进行研究、数据整理。史俊：数据整理。邓慧萍：撰写-审稿与编辑、研究、资金获取。裴海润：撰写-审稿与编辑、监督、方法设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了负责编制《上海市污水处理厂污泥处理与处置技术规范》（DB31/T 1432—2023）的团队的支持。本项目还得到了上海城投水务（集团）有限公司的“上海市中心城区污水处理厂污泥处理与处置技术研究”（项目编号（2021）YG-047）的合作项目的支持。作者感谢国家关键实验室在水污染研究方面的支持