北京中医院治疗白癜风效果怎么样 http://m.39.net/pf/a_4652373.html导读
砷是一种广泛存在于自然环境中*性较强的类金属元素，农田生态系统中的植物（尤其水稻）很容易吸收积累土壤环境中的砷。植物中的砷沿食物链向高等动物传递，威胁人类健康。除土壤本身的理化性质外，土壤中砷的生物转化也强烈影响砷的生物有效性。目前研究发现异化砷酸盐(As(V))呼吸性还原、细胞质As(V)还原、亚砷酸盐(As(III))氧化、As(III)甲基化和有机砷的去甲基化在土壤砷的生物地球化学过程中起重要作用。随着分析化学和分子生物学技术的进步，最新研究发现土壤生物也参与了砷糖、砷糖磷脂、碱甜菜碱、砷代草丁膦、硫代砷等有机砷的合成，其中三价一甲基砷和砷代草丁膦可作为新型抗生素，但其合成机制及生态学功能有待进一步研究。本文还详细介绍了为适应复合污染环境微生物通过自身的进化对抗生素和重金属形成的四种共选择抗性机制：共抗性，交叉抗性、共调控和生物膜感应，特别提出了土壤中砷污染与抗生素抗性相关联这一新的研究方向。最后对砷生物转化和砷与抗生素共抗机制的未来研究方向做了展望。
文/薛喜枚1朱永官1，2（1中国科学院城市环境研究所，2中国科学院生态环境研究所中心，城市与区域生态国家重点实验室）
来源：土壤学报（年第4期）
类金属元素砷(As)，位于元素周期表第四周期第VA主族，是一种广泛分布的有*环境物质，已被美国环境保护署（USEPA）确定为人类的致癌物质。岩（矿）石风化、火山活动、矿山开采、冶炼、石油燃烧以及杀虫剂使用等自然或人为活动将砷释放进入大气、土壤和水体后，经物理、化学及生物等反应在地球圈层之间及其圈层内部进行循环。土壤中的砷可经地表径流或渗漏进入水体，或随着粉尘和烟雾等进入大气在空气中流通扩散，或通过植物的吸收积累进入食物链影响人体健康。
植物对砷的吸收效率主要取决于土壤砷的存在形态及迁移转化。土壤和水环境中的砷主要是无机态，在有氧环境中砷以砷酸盐[As(V)]的形式被吸附于铁铝等氧化物表面而不易移动，难以被植物吸收；在水稻土这种厌氧环境中，砷主要以亚砷酸盐[As(III)]形式存在，As(III)不易被吸附，流动性较大，很容易进入植物体内，所以与其它旱作农作物相比，水稻籽粒中积累了更多的砷[3]。除了土壤理化性质（如土壤通气性、pH、氧化还原电位、土壤胶体特性及吸附性等）外，土壤中的动物及微生物也通过对砷的吸收转化极大地影响着砷在环境中的迁移转化、形态*性及生物有效性。土壤微生物对砷的转化作用主要体现在：对As(V)的呼吸还原和细胞质还原，产生移动性更强的As(III)；对砷的氧化反应，增强砷与土壤矿物的吸附性进而影响砷的结合态和生物有效性；对砷的甲基化后挥发土壤砷而降低植物体内所积累砷的生物*性。另外砷作为*性较强的类金属元素与抗生素共存时将增强抗生素抗性基因(antibioticresistancegenes，ARGs)传播扩散及其出现频率，某些有机砷如MAs(III)和砷代草丁膦还可作为新型抗生素。本文主要介绍土壤砷的氧化/还原、甲基化/去甲基化以及砷其它有机化过程的最新研究进展（图1），和四种微生物共选择抗性机制：共抗性，交叉抗性、共调控和生物膜感应，并提出了土壤中砷污染与抗生素抗性相耦合这一新的研究方向。
图1.土壤中砷的生物转化途径
Figure1.Thepathwayofarsenicbiotransformationinsoil
1.砷的生物氧化还原
微生物砷氧化过程加速自然环境中*性和流动性更强的As(III)向*性和流动性更小且易吸附在矿物表面的As(V)转化，降低土壤中砷的生物有效性和*性，因此微生物砷氧化被认为是降低砷的生物有效性，从而控制砷污染的重要途径之一。微生物的砷还原将固定于矿物中的As(V)释放并还原为移动性强的As(III)，这一作用机理可运用于尾矿等区域砷污染严重的土壤砷的去除。对参与微生物砷的生物氧化还原过程的微生物类型及其氧化还原机制研究得较清楚，已有多篇综述对该过程进行了较为详细的介绍，本文不再赘述。
土壤动物与微生物植物一起构成复杂的土壤食物网，在陆地生态系统中扮演着重要的角色。它们在凋落物分解、土壤中元素循环、生物多样性的维持、土壤微团聚体的形成和污染物的降解等诸多土壤生态过程中发挥了关键作用。土壤动物肠道内的代谢及其营养元素富集过程改变特定元素的生物有效性。多项研究在蚯蚓Lumbricusrubellust、Dendrodrilusrubidus等的组织中检测到了As(III)、As(V)、甘油砷糖(Oxo-Gly)、磷酸砷糖(Oxo-PO4)、硫酸砷糖(Oxo-SO4)、砷甜菜碱(AB)、MAs(V)、二甲基砷酸[DMAs(V)]和三甲基砷氧化物(TMAO)等（表1），但无法确定这些不同形态砷的来源。动物体内生活着各种各样的微生物，其与宿主长期共存、协同进化，对宿主的健康、免疫、养分获取和运动等诸多方面发挥着不可替代的作用。Wang等用As(V)处理蚯蚓28天后，发现土壤中仍以As(V)为主，而蚯蚓肠道和组织中As(III)是砷的主要存在形式，砷氧化还原和解*外排基因在所有基因中占主导，砷甲基化去甲基化相关的基因含量很低，说明在厌氧蚯蚓肠道中微生物对砷转化以氧化还原为主[8]。不论蚯蚓肠道或组织中有机砷直接来自环境还是复杂有机砷进入肠道后肠道微生物对其的降解或转化，蚯蚓等土壤动物的活动都将严重影响土壤或土壤孔隙水中砷的迁移转化、形态和生物有效性。
表1已分析的蚯蚓中的砷总量及形态
植物通过磷酸转运蛋白（如水稻的OsPTs）吸收环境中的As(V)。大多数植物的根细胞能将进入其内的As(V)迅速还原成As(III)，例如水稻的OsACR2，A.thaliana的HAC1、Pterisvittata的PvACR2等可能参与了As(V)的还原。植物体利用水甘油通道蛋白(aquaglyceroporins，AQPs)吸收的As(III)，一部分被富含巯基的多肽—植物络合素(Phytochelatin,PC)络合并被液泡膜上的ABC转动子转入到液泡内，另一部分则通过木质部往地上部运输（如水稻的Lsi2[20]和A.thaliana的肌醇转运蛋白AtINT2和AtINT4参与了该过程）。
2.砷的生物甲基化及去甲基化
砷甲基化可以将*性较大的无机砷转化成*性更小的甲基化砷，虽然中间产物可能是*性更大的MAs(III)，但该中间产物极不稳定，短时间内即被氧化成MAs(V)。对厌氧微生物而言，砷甲基化过程多半产生挥发性甲基化砷从而降低环境中砷浓度，砷甲基化可能是一个解*过程。
砷在生物体内甲基化过程是由砷甲基化酶催化，以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，巯基在还原中起重要作用。Marapakala等将真核生物Cyanidioschyzonsp.的CmArsM中三个保守半胱氨酸依次突变后，蛋白荧光检测证明As(GS)3和MAs(GS)2比As(III)有更快的结合能力，这暗示着谷胱甘肽化砷可能是CmArsM的首选底物，并通过分析与苯亚砷酸盐[PhAs(III)]或还原性洛克沙砷[Rox(III)]结合的CmArsM晶体结构，推测CmArsM的砷甲基化过程是一个二硫键形成和断裂的级联反应。
土壤中存在具有砷挥发能力的细菌或真菌已被证实，真核藻类也具有将无机砷转化为气态砷的能力[27]。土壤酸碱度、氧化还原电位、含水率和温度等理化性质以及砷浓度、形态和组成等都直接或间接影响着砷的挥发。但在自然条件下土壤砷挥发量很低，可通过调节土壤环境或者通过基因工程的手段改造土壤生物，提高砷挥发水平从而达到土壤砷的生物修复。
另一方面进入土壤的大部分有机砷将被降解成*性更强的无机砷。Yoshinaga等从MAs(V)除草剂处理的高尔夫球场土壤中分离到两株菌，一株布克氏菌(Burkholderia)可将MAs(V)还原成MAs(III)，而另一株链霉菌(Streptomyces)可将MAs(III)脱甲基成As(III)，这两种菌中任何一种单独存在都不能完成从MAs(V)到As(III)的脱甲基过程，暗示土壤微生物群落催化脱甲基化反应是由还原和去甲基化两个步骤组成。针对此过程的第二步，Yoshinaga等得到一个MAs(III)去甲基化酶(ArsI)，该酶可以催化依赖Fe2+的MAs(III)去甲基化反应，另外，ArsI还能打断Rox(III)和其它含砷芳香族化合物的C-As键，且在原核生物中广泛存在[32]。这表明有机砷降解普遍存在于自然界中，暗示着去甲基化过程在砷的土壤循环中发挥重要作用。
3.砷的其它有机化过程
除人工合成的有机砷外，土壤中还检测到了砷糖、砷甜菜碱及砷胆碱等多种生物来源的有机砷。近期在复杂有机砷的生物合成机制方面究取得了一系列进展。
自从年EdmondsFrancesconi在褐藻(Eckloniaradiate)中第一次分离鉴定到砷糖。迄今，人们已至少鉴定出了氧代砷糖(Oxo-arsenosugars)，硫代砷糖(Thio-arsenosugars)，三甲基砷糖（trimethylatedarsenosugars）三大类共20多种砷糖。砷糖可能是砷糖磷脂合成的起点，砷胆碱和砷甜菜碱可能是砷糖降解产物。但因前期仅在基因组未测序且遗传操作复杂的海洋生物中检测到砷糖，无法开展砷糖生物合成分子机制的研究。Xue等发现纯培养的集胞藻和念珠藻均能将As(V)转化成砷糖及结构更复杂的砷糖磷脂，并基于Zhu等对砷糖合成机制的推测，，依次敲除集胞藻的arsM和arsS两个基因，用不同形态砷处理突变体及野生型，发现砷糖的合成是从DMA开始的，在砷糖合成过程中ArsM的功能是提供DMAs，ArsS可能将一个腺苷自由基转移给DMA同时将腺嘌呤切掉形成另一个自由基。双表达arsM和arsS的大肠杆菌不能将As(V)或As(III)转化成砷糖，暗示蓝细菌中砷糖的合成还需要其它所特有基因。总之，砷糖是砷生物地球化学循环的重要组成部分，它广泛存在于海洋和陆生生物中，但其存在的生物学意义和生态学功能还有待进一步研究。
砷甜菜碱是目前公认的*性最小的含砷化合物，但它的生物学功能仍不清楚。Hoffmann等研究表明B.subtilis的甜菜碱合成酶(GbsB/GbsA)同样能将砷胆碱转化成砷甜菜碱。另外，环境中的Shewanellaputrefaciens将MAs(V)和DMAs(V)分别硫基化成*性更强的单甲基单硫砷酸[MMMTAs(V)]和二甲基单硫砷酸[DMMTAs(V)。
4.从砷污染到抗生素抗性基因
4.1抗生素抗性基因及共选择抗性机制
抗生素的发现与使用拯救了千千万万的生命，是人类医疗史上划时代的成就。但随着抗生素的过度使用和滥用，ARGs的多样性与丰度在环境中不断增加。当多种ARGs同时转移到一种病原菌使其带有多重抗性，则会形成“超级细菌”，从而使抗生素不再有效。不断发展的采矿冶金、化工和农业将越来越多的重金属释放到土壤，加上抗生素的滥用，加剧了环境中抗生素及重金属协同污染的概率。重金属通过共选择的方式促进ARGs在生态系统中的扩散，并且这种共选择具有普遍性，不局限于几种重金属或者微生物。多项野外调查研究显示，土壤中的重金属与ARGs间存在明显相关性，但不同金属对ARGs丰度和多样性的影响存在差异。现在研究认为共选择抗性机制有四种(图2)：
共抗性(co-resistance)是指ARGs或/和重金属抗性基因位于同一质粒、转座子、整合子上或染色体邻近位置。如Ghosh等从马流产沙门氏菌提到的质粒同时抗氨苄青霉素、砷、镉、铬和汞。然而，必须指出的是，抗金属质粒早于人类使用抗生素前已经出现。Mindlin等认为含有ARGs和汞抗性基因并携带转座子的整合子的出现是一个相对较新的现象，因为冻土源假单胞菌尽管缺乏ARGs盒但含有许多转座子与当今细菌中发现的关系密切[49]。此外，从抗生素时代前的肠杆菌科培养标本中提取的R质粒中没有可转移的ARGs[50]。这表明重金属与抗生素的协同进化一直在发生。现在需要解决的问题是早已存在的金属抗性基因是在何时如何获得ARGs的，这个时间点是否在抗生素广泛使用前，金属或类金属增加ARGs丰度和多样性的分子机制。对参与基因水平转移的可移动遗传元件大尺度测序将有助于我们深刻理解环境中金属与抗生素的共抗机制。
交叉抗性(cross-resistance)指微生物利用同一套抗性系统同时对抗生素和重金属产生抗性，当不同的抗菌剂胁迫同一种细菌时，细菌对一种抗菌剂产生耐药性的同时对另一种抗菌剂也产生抗性，即细菌使用相同机制排出结构不同的化合物。例如，Listeriamonocytogenes的多药物抗性(multiple-drugresistance，MDR)泵可同时外排抗生素和重金属。编码MDR泵的基因广泛存在，但目前还没有研究能阐明这种交叉抗性的分子机制：MDR泵基因的进化、MDR泵基因的表达是否受多种抗生素或金属的调控、MDR泵是如何同时识别并排出结构差异较大的抗菌剂。
注：NOM,天然有机物(naturalorganicmatter)；DARP,异化砷呼吸原核生物[DissimilatoryAs(V)-respiringprokaryotes]；Tetl,四环素泵出蛋白(tetracyclineeffluxprotein)；MATE,多药物和有*化合物外排蛋白(multidrugandtoxic
