研究背景

磷（P）是所有生命不可或缺的元素。生物可利用磷缺乏在大多陆地生态系统普遍存在，尤其是在严重退化的矿区环境。磷在土壤中主要以顽固态磷形式螯合在矿物或复杂有机化合物中，大多数生物都无法直接吸收，因此土壤中生物可利用磷（AP）普遍稀缺。为应对土壤中AP稀缺问题，一些磷循环微生物进化出不同策略来维持和提高P的生物有效性。矿区持续受重金属污染，是营养最有限的环境之一。微生物释放磷的策略可增加其用于重金属污染土壤修复的潜力。因此，了解微生物驱动的磷循环机制对于管理和恢复严重退化环境的具有重要意义。

锑（Sb）已被美国环境保护署、欧盟和中国的相关机构列为重点污染物。目前，中国的锑产量居世界首位，矿区锑污染严重。如位于湖南的锡矿山是世界上最大的Sb矿区，土壤中的Sb浓度可达302 mg/kg，对邻近的生态系统构成了严重威胁。受Sb污染土壤中微生物进化出特定的抗性策略（如氧化、还原和外排）以生存并适应此类污染环境。亚锑矿的微生物氧化成毒性较低的价态是提高微生物在有氧环境中适应性的普遍策略。在缺氧环境中，锑酸盐可被微生物还原为流动性较低的锑酸盐，并固定为稳定形式（如Sb₂O₃和Sb₂S₃），从而降低其毒性。此外，外排泵也是最有效的微生物抗性策略，其中由arsB或acr3基因编码的膜通透酶构成了胞内亚锑酸盐外排的主要解毒途径。微生物还可通过代谢策略，在高污染条件下促进土壤氮和磷循环。此外，在极酸性铜矿尾矿的修复过程中，无机磷酸盐（Pi）溶解微生物对提高土壤AP有很大贡献。因此，矿区具有抗性能力的微生物具有增强土壤养分循环的巨大潜力。然而，微生物驱动的磷循环过程及其对重金属污染物的抵抗机制仍不清楚。

研究成果

2023年6月3日，权威学术期刊 ISME J 发表了我实验室前沿研究中心颜庆云教授相关通讯论文，题目为：Antimony efflux underpins phosphorus cycling and resistance of phosphate-solubilizing bacteria in mining soils

该研究以位于湖南省冷水江市的世界上最大锑矿区——锡矿山为研究区域，从不同污染程度区域的水平和垂直两个维度采集土壤样品，通过测定土壤理化性质及相关磷酸酶活性，结合微生物组16S rRNA基因扩增子和宏基因组测序分析，解析了锑污染土壤磷循环微生物群落，揭示了微生物驱动的磷循环机制和抗锑策略。

该研究获得的主要结论如下：

（1）高浓度锑污染和低水平生物可利用磷在锡矿山的不同区域土壤中普遍存在，且锑污染土壤中的酸性磷酸酶活性比碱性磷酸酶活性更高，土壤总锑浓度和pH是影响微生物群落组成和结构的主要驱动因素。

图1：采样位置与土壤特性及细菌群落潜在驱动因素

（2）锑污染土壤中磷的生物可利用性主要受到磷循环微生物影响，微生物介导的无机磷溶解过程显著增强了锑污染土壤中磷的生物可利用性。而且，携带gcd基因的细菌是无机磷溶解过程的主要驱动者，并显著提高了土壤磷的生物可利用性。微生物磷循环过程受到土壤中总锑和总砷污染浓度的抑制，但受到总磷浓度和pH的促进。

图2：宏基因组测序分析揭示锑污染环境微生物驱动的磷循环潜力

图3：微生物驱动的磷循环基因与生物可利用磷水平的联系及其影响因素

（3）通过宏基因组分箱技术获得106个完整度大于90%，污染度小于5%的高质量宏基因组组装基因组（MAGs）。对MAGs的功能基因注释结果发现，60.4%的MAGs携带了gcd基因，且携带gcd基因的MAGs中，98.4%存在由pit或pstSCAB基因编码的无机磷运输系统，43.8%还含有由acr3基因编码的锑外排泵。

图4：高质量细菌MAGs揭示磷循环和锑抗性相关功能基因的系统发育关系

（4）在所有高质量MAGs中，acr3基因高达72.7%的检出率表明锑外排是微生物主要的抗性机制。系统发育分析表明，潜在的acr3基因水平基因转移（HGT）过程可能发生在Acidobacteriota、Proteobacteria、Actinobacteriota和Chloroflexota的一些成员之间。进一步对可移动遗传元件的注释和HGT过程的识别分析表明，携带gcd基因的MAGs可能通过潜在的HGT过程获得了acr3基因。

图5：锑外排泵Acr3的系统发育分布及潜在的水平基因转移过程

综上所述，本研究发现锑污染土壤总锑浓度和pH是影响微生物群落结构和磷循环潜能的主要因素。同时，携带gcd基因的微生物在无机磷溶解过程中发挥着重要作用，从而显著提高了土壤磷的生物利用性。此外，由acr3基因调控的锑外排是溶磷微生物抗锑的主要机制之一，而溶磷微生物可能通过HGT获得抗潜能。这不仅拓展了对土壤磷循环微生物的生态功能的认知，而且也为有效管理和修复重金属污染土壤提供了新依据。

图6：锑外排和无机磷溶解细菌影响锑污染土壤磷循环机制概念模型

本研究获国家自然科学基金项目、广东省自然资源厅以及南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）科研建设经费的支持。

作者介绍

第一作者：刘升炜，中山大学环境科学与工程学院2020级硕士研究生，研究方向为矿区土壤微生物驱动的磷循环功能。目前在The ISME Journal，Ecological Indicators，Science of the Total Environment等期刊以第一作者发表SCI论文3篇。

邮箱：liushw27@mail2.sysu.edu.cn

通讯作者：颜庆云，南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）、中山大学教授，博导。长期从事微生物生态学研究，主持包括国家自然科学基金重大研究计划在内的各类科研项目17项，发表第一作者/通讯作者论文70余篇，包括The ISME Journal，Microbiome，Water Research，Environmental Science & Technology等。任中国动物学会原生动物学分会理事、中国生态学学会微生物生态专业委员会和淡水生态专业委员会委员、Marine Life Science & Technology编委；入选中科院青年创新促进会、中山大学“百人计划”、南方海洋实验室杰出人才计划。

通讯邮箱：yanqingyun@sml-zhuhai.cn