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微量重金属元素是影响农产品质量安全及生态环境健康的典型危害因子，然而，这些元素与宏量营养元素的耦合关系及机制尚不清楚。近日，皇家娱乐城 质标所农产品风险评估团队在砷/锑与碳/氮/硫元素耦合循环机制、土壤氧化还原动态下锑的迁移转化方面取得系列进展，相关成果发表于Environmental Science & Technology（IF 12.2，Q1，Nature Index期刊）、Journal of Hazardous Materials（IF 10.6，Q1）等环境领域国际权威期刊。

进展一：揭示环境中重金属元素砷/锑与营养元素碳/氮/硫耦合循环机制

砷和锑是具有毒性的重（类）金属元素，其迁移转化、植物累积及健康风险受到碳、氮和硫等宏量营养元素的显著影响，这些过程主要通过微生物介导的耦合转化实现。然而，目前对于这些耦合过程的内在机制仍缺乏认识。针对这一问题，研究团队从微生物生物能量学（microbial bioenergetics）和微生物生态学角度，系统梳理了砷/锑与碳、氮、硫耦合循环的热力学基础、微生物代谢途径及关键功能基因，提出了基于氧化还原阶梯（redox ladder）和电子传递链（electron transport chain）的理论框架。该框架将砷、锑、碳、氮及硫的不同形态作为微生物呼吸链中的电子供体或电子受体，不同氧化还原半反应之间的组合构成了这些元素之间的耦合循环。基于该框架，可以解析潜在的电子传递路径，并判断热力学上可行的元素耦合转化方式。目前，已有多种耦合过程在自然环境中得到证实，例如As(III)/Sb(III)氧化与硝酸盐还原的耦合过程。此类过程能否实际发生，还取决于环境中是否存在携带关键功能基因（例如砷氧化酶基因aioA和砷还原酶基因arrA）的微生物。此外，该框架还可预测一些尚未被证实的潜在耦合过程，例如As(III)/Sb(III)氧化与N2O还原为N2的耦合。通过整合生物能量学原理与微生物功能潜势，本研究提出了一个解析不同元素耦合循环的新概念框架，有助于深化对微量元素与宏量营养元素耦合生物地球化学循环机制及其环境效应的认识。

该研究以“Microbial Bioenergetics and Ecology Govern the Coupled Biogeochemical Cycling of Arsenic/Antimony and Macronutrients”为题发表于Environmental Science & Technology（IF 12.2，Q1，Nature Index期刊），质标所尹志鹏助理研究员为第一作者，李成研究员为通讯作者，皇家娱乐城 为第一完成单位和通讯作者单位。

进展二：揭示土壤好氧-厌氧交替条件下硫代谢微生物对重金属锑的去除机制

农田、湿地及矿区土壤受降水、灌溉等影响，经历好氧-厌氧条件周期性变化。氧化还原状态能够显著改变锑的化学形态、环境迁移性及生态风险，但硫循环及硫代谢微生物对锑迁移转化及去除的调控作用及机制尚不明确。研究团队以锑污染土壤为研究对象，通过微生物培养、形态分析及高通量宏基因组学分析，系统探究了外源硫代硫酸盐在锑酸盐固定化中的作用及机制。在未添加硫代硫酸盐时，锑呈“好氧释放、厌氧固定”的迁移模式；添加硫代硫酸盐作为电子供体后，可在14天内实现锑的完全固定去除，并抑制后续好氧阶段锑的再释放。通过互补的光谱表征技术鉴定主要产物为稳定的三氧化二锑与三硫化二锑，其低溶解度与高稳定性确保了对锑污染环境的长期修复效果。宏基因组组装基因组（MAGs）的结果表明Ramlibacter、Thiomonas等关键微生物携带砷酸盐/锑酸盐呼吸还原酶基因（arrA）和硫氧化途径（Sox系统），能够促进硫依赖性微生物锑固定。本研究揭示了锑污染土壤中硫代谢微生物群落活动可驱动硫氧化与锑固定耦合过程，以此为基础的微生物修复技术在锑污染土壤治理中具有应用潜力。该研究以“Mechanistic insights into antimony immobilization by sulfur-metabolizing microorganisms under alternating oxic-anoxic conditions”为题发表于Journal of Hazardous Materials（IF 10.6，Q1），质标所尹志鹏助理研究员为共同通讯作者。

以上研究得到了国家自然科学基金、皇家娱乐城 优秀青年科学家培养计划等项目的支持。

文章链接：

//doi.org/10.1021/acs.est.5c18164

//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389426013063