电子穿梭体促进了水稻土壤中依赖甲烷的砷酸盐还原反应

《Journal of Environmental Sciences》：Electron shuttles facilitate methane-dependent arsenate reduction in paddy soils

电子传递体AQDS促进水稻土中甲烷依赖砷还原（M-AsR），提升砷活化与甲烷氧化效率，通过调控arrA、arsC和mcrA基因丰度及Cloacibacterium等菌群组成，揭示其介导电子转移的微生物机制。

　　

姜欧远|王一昌|袁晓超|戴莉|赵新宇|张布拉恩|李中建|唐贤金

中国浙江大学环境与资源科学学院土壤污染控制与安全国家重点实验室，杭州310058

摘要

甲烷依赖型砷酸盐还原（M-AsR）在稻田土壤中普遍存在，会显著增强砷的迁移，从而带来潜在的生态风险。然而，电子穿梭体在这一过程中的作用仍不甚明了。在本研究中，我们探讨了蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS）对稻田土壤中M-AsR的影响。14天的培养实验表明，1 mmol/L的AQDS促进了50.88%的砷酸盐还原和31.31%的甲烷氧化。定量聚合酶链反应分析显示，AQDS显著增加了与砷酸盐还原（arrA, arsC）和厌氧甲烷氧化（mcrA）相关的功能基因的丰度（P < 0.05）。微生物群落分析显示，AQDS的添加丰富了Cloacibacterium、Sphingorhabdus和Methylocystis的种群，同时降低了Methylobacter和Methylomonas的相对丰度。这些发现表明，电子穿梭体通过调节功能微生物种群来促进M-AsR，为了解稻田土壤中砷的生物地球化学过程以及甲烷和砷的耦合循环提供了宝贵的见解。

引言

砷（As）是一种在自然环境中广泛存在的有毒类金属元素，对公共健康和食品安全构成严重威胁（Chen等人，2020a；Chen和Costa，2021）。在厌氧条件下，砷酸盐（As(V)）会被微生物还原为砷化物（As(III)），后者是一种更具移动性和毒性的形式，在淹水的稻田土壤中占主导地位（Oremland等人，2003；Zhu等人，2008；Muehe等人，2019）。甲烷（CH₄）是第二大温室气体，人类活动占全球CH₄排放量的大约三分之二（Jackson等人，2024）。农业活动（如水稻种植和施肥）产生的CH₄排放占人为温室气体排放量的约57%（Huang等人，2023；Króliczewska等人，2023）。淹水的稻田土壤形成了有利于As(V)还原、CH₄产生及随后CH₄氧化的强还原环境。最近的研究发现，在湿地和沉积物环境中，As(V)可作为甲烷厌氧氧化（AOM）的最终电子受体（Shi等人，2020；Glodowska等人，2020；Pienkowska等人，2021）。据估计，甲烷依赖型砷酸盐还原（M-AsR）贡献了土壤中总砷释放量的26%-49%（Shi等人，2020），这可能是由CH₄氧化微生物和As(V)还原微生物之间的协同作用介导的（Yu等人，2025）。然而，电子从CH₄转移到As(V)的机制仍不甚清楚。

电子穿梭体，也称为氧化还原介质，是能够进行可逆氧化和还原的有机化合物，使它们能够在多个氧化还原反应中充当电子载体（Watanabe等人，2009）。其中，蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS）是天然腐殖质中常见醌类官能团的合成类似物。由于其结构明确且具有可逆的氧化还原活性，AQDS被广泛用作阐明电子转移机制的模型化合物（Zhang等人，2021a；Zhou等人，2016）。研究表明，AQDS的添加可以增强微生物对多种金属（类金属）的还原作用，包括铁（Fe）（Chen等人，2017）、锰（Lan等人，2019）、钯（Pat-Espadas等人，2014）和铬（Wang等人，2023）。作为电子穿梭体，AQDS促进了电子从微生物群落到最终电子受体（如铁矿物）的转移（Bai等人，2020a）。更重要的是，AQDS促进了砷从沉积物中释放到地下水中，从而增加了其生物可利用性和毒性（Bai等人，2020b；Qiao等人，2019）。

除了金属还原外，AQDS还影响与替代电子受体耦合的AOM。具体来说，AQDS显著提高了与反硝化作用耦合的AOM速率，并促进了稻田土壤中与一氧化二氮还原耦合的AOM，有助于减少温室气体排放和有机碳的保留（Zhang等人，2021b；Chang等人，2021）。AQDS还通过增强电子转移和促进CH₄氧化古菌与铁还原细菌之间的共生相互作用，促进了Fe依赖型AOM（He等人，2019）。尽管取得了这些进展，但AQDS在调节M-AsR中的作用及其背后的微生物机制仍大部分未被探索。

在本研究中，我们采集了稻田土壤样本进行了土壤接种培养和微宇宙培养实验，共同证明了电子穿梭体对M-AsR过程的显著但此前未被报道的影响。这些结果有望加深我们对驱动CH₄-As耦合的微生物相互作用的理解，并阐明电子穿梭体在这一生物地球化学过程中的作用。

土壤采样

土壤样本来自中国上虞市（SY）（29°59′48″N，120°47′15″E）、成都市（CD）（30°29′45″N，103°44′44″E）和马关县（MG）（22°54′36″，104°31′12″E）的稻田表层（0-20厘米）。每个地点使用五点采样方法获得了约20公斤的混合样本。样本被放入密封塑料袋中，并立即转移到实验室并在冰上保存，以进行后续的物理化学分析和培养实验。

AQDS存在下促进的M-AsR活性

使用¹³CH4进行的同位素标记实验追踪了与As(V)还原耦合的¹³CH₄氧化过程。在14天的培养期间，As(V)显著还原为As(III)，同时积累了¹³C标记的CO₂（¹³CO₂）。相比之下，在没有CH₄的情况下，As(V)未被消耗，这表明As(V)的还原严格依赖于CH₄的添加（图1），与先前的研究结果一致（Shi等人，2020）。

值得注意的是，AQDS的添加显著增强了

结论

本研究表明，AQDS的添加显著促进了稻田土壤中的M-AsR。这一增强作用通过增加¹³CO₂的产生、更大的ΔAs(III)积累以及关键功能基因（mcrA, arrA, arsC）的丰度得到证实。微生物群落结构和土壤化学性质的改变进一步表明，AQDS调节了M-AsR背后的生物地球化学过程。总体而言，这些结果强调了电子穿梭体在调节这一过程中的关键作用。

附录A 补充数据

与本文相关的补充数据可在在线版本中找到（xxxxxx）。

未引用的参考文献

Li等人，2025；Liu等人，2015；Oremland和Stolz，2003；Zhang和Wang，2021b

CRediT作者贡献声明

姜欧远：撰写——初稿、方法学、数据管理、概念构建。王一昌：撰写——审阅与编辑、方法学、正式分析。袁晓超：研究、数据管理。戴莉：方法学、数据管理。赵新宇：研究、数据管理。张布拉恩：正式分析、数据管理。李中建：撰写——审阅与编辑、资金获取。唐贤金：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。作者是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑审查或发表决定。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2023YFC3706700）和国家电网浙江电力有限公司项目（编号：B311JJ240002）的支持。