近期，中国科学技术大学环境科学与工程系在揭示单株细菌介导的砷氧化还原循环方面取得新进展，发现异化砷还原菌Shewanella putrefaciens CN32中的砷呼吸还原酶Arr在好氧条件下可同时催化砷的氧化和还原过程，其中Arr酶的催化方向受碳底物类型的调控。相关研究结果以“Single Strain-Triggered Biogeochemical Cycle of Arsenic”为题，于2022年10月12日被Environmental Science & Technology（DOI: 10.1021/acs.est.2c02015）接收。

砷对人类健康构成巨大威胁。微生物在砷的生物地球化学循环过程中发挥着重要作用，研究微生物对砷的代谢活性将有助于揭示砷在环境中的归趋。As(V)的呼吸还原可由微生物体内的As(V)呼吸还原酶(Arr)介导，但部分As(III)氧化微生物基因组中缺乏典型As(III)氧化酶编码基因，却含有arrA编码基因，这一特殊现象至今未得到合理解释。俞汉青课题组闵迪博士和刘东风副研究员等在研究模式砷呼吸还原细菌S. putrefaciens CN32的砷代谢过程中意外地发现该菌株可以在好氧条件下同时介导砷的氧化和还原，通过基因编辑实验和DFT理论计算表明S. putrefaciens CN32中Arr酶不仅在厌氧As(V)呼吸还原中起着至关重要的作用，还可作为一种双向酶，在好氧条件下介导As(V)的还原和As(III)的氧化，而其催化方向受碳底物类型的调控。此外，Arr酶还有助于提升细菌对As(III)的耐受性。该研究首次报道了Arr酶可以在生理状态下介导砷的可逆氧化还原转化，表明实际生境中砷氧化还原生物转化过程具有高度复杂性。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的支持。

图1  Shewanella putrefaciens CN32介导的砷氧化还原循环

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c02015