水稻土淹水后，还原条件使得铁、砷等元素还原释放，活性大幅度升高。有趣的是，有些反硝化菌可以在厌氧条件下通过与反硝化过程耦合将亚铁[Fe(II)]和三价砷[As(III)]氧化，从而降低其活性。然而，迄今为止，依赖于硝酸盐还原的Fe(II)和As(III)的厌氧氧化机理尚不完全清楚。一个颇有争议的问题是，Fe(II)的厌氧氧化是生物（biotic）还是非生物（abiotic）过程？

赵方杰课题组采用基因操作的方法，为回答上述问题提供了有力的证据。首先，他们从砷污染水稻土分离到两株反硝化细菌Paracoccussp. QY30和Ensifersp. ST2，在硝酸盐还原条件下，两株菌都能够进行厌氧As(III)氧化，但是只有QY30具有厌氧Fe(II)氧化的能力，可形成以水铁矿为主的棕红色沉淀（图1）。两株菌均具有编码As(III)氧化酶基因，并且其表达受As(III)强烈诱导。两株菌的基因组中均具有反硝化过程的所有基因，但是，亚硝酸还原酶基因nirK只有在ST2菌株中表达，而在QY30菌株中不表达，这就解释了ST2不积累亚硝酸盐，而QY30积累亚硝酸盐的现象（图1）。进一步对ST2菌株中nirK基因敲除，发现突变株ST2^ΔnirK亚硝酸盐还原能力完全消失，亚硝酸盐在培养基中积累，同时突变株获得了厌氧Fe(II)氧化的能力。反之，将来自ST2的nirK基因导入QY30菌株时，重组菌株QY30::nirK获得了还原亚硝酸盐的能力，培养基中亚硝酸盐不再积累，同时其厌氧Fe(II)氧化能力完全丧失（图1）。但是这些遗传操作不影响两个菌株厌氧As(III)氧化的能力。研究结果表明，QY30和突变株ST2^ΔnirK介导的厌氧Fe(II)氧化主要由亚硝酸盐对Fe(II)起化学氧化，是非生物过程，亚硝酸盐积累是Fe(II)氧化所必需的。而厌氧As(III)氧化是生物过程，不依赖于亚硝酸盐积累，反硝化过程为As(III)氧化提供电子受体。

该研究通过基因敲除和回补等遗传操作，从分子层面揭示了水稻土中铁、氮、砷循环与耦合的生物地球化学机制，nirK基因是否转录表达是反硝化菌亚铁氧化能力强弱的一个重要指标。研究结果还表明，在DNA水平上测定土壤微生物基因的丰度不一定能够反映其功能，因为基因是否表达还受多种因素控制。

该研究成果以“Nitrite accumulation is required for microbial anaerobic iron oxidation, but not for arsenite oxidation, in two heterotrophic denitrifiers”为题，在线发表在Environmental Science & Technology上。我校资环学院张隽副教授为第一作者，赵方杰教授为通讯作者，硕士研究生柴成薇、赵诗晨参与了研究工作，瑞士ETH联邦工学院Ruben Kretzschmar 教授团队参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。

图1. 微生物厌氧Fe(II)氧化依赖于亚硝酸盐的积累

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.9b06702