砷是一种有毒类金属元素，主要赋存于各种矿物中，代表性矿物包括砷硫化铁等。在海洋环境中，砷酸盐和亚砷酸盐是主要的无机砷形态。据推测，微生物早在27.2亿年前就进化出一系列的酶，用以抵抗砷的毒性。迄今为止，砷转化微生物和砷相关基因已在各种自然环境中被广泛研究，包括土壤、热泉、湿地、缺氧区和地下水等。地球化学证据表明深海冷泉富集砷元素；然而，对冷泉生境中砷转化基因及其微生物的了解仍不清楚。

通过分析来自不同冷泉位点的宏基因组和宏转录组数据，研究者发现砷甲基化和细胞质5价砷还原相关的基因（arsM, arsP, arsC1/arsC2, acr3）普遍存在于冷泉沉积物中（图1），且系统发育多样性远超预期。阿斯加德古菌和大量的尚未被培养的细菌（如4484-113，AABM5-125-24和RBG-13-66-14）都具备砷耐受能力。这些砷循环基因的丰度及其微生物群落结构受沉积物深度和冷泉类型的影响。此外，还发现微生物可通过呼吸型3价砷氧化和5价砷还原产生能量，并耦合生物固碳、烃降解和固氮作用，影响着碳氮元素的生物地球化学循环。总体而言，本研究对冷泉沉积物中砷循环基因及其宿主微生物进行了全面综述。研究结果不仅可以提升对深海极端微生物介导砷循环的科学认识，同时也为海底矿物的勘探和开采以及砷污染的生物修复提供新的见解。

图1 砷循环基因在全球冷泉中的分布特征

上述成果发表在中科院一区TOP期刊《npj Biofilms and Microbiomes》上，题为“Unexpected genetic and microbial diversity for arsenic cycling in deep sea cold seep sediments”。我所海洋生物遗传资源重点实验室章楚雯博士后为本文第一作者，董西洋研究员为通讯作者。来自自然资源部第三海洋研究所、中山大学、浙江大学、中国科学院深海科学与工程研究所和广州海洋地质调查局等的共同作者对本研究做出了重要贡献。本研究得到了自然资源部第三海洋研究所基本科研业务费、同济大学海洋地质国家重点实验室开放课题以及中国博士后面上基金等科研项目的资助。

相关论文：Zhang, C.; Liu, X.; Shi, L.-D.; Li, J.; Xiao, X.; Shao, Z.; Dong, X. Unexpected genetic and microbial diversity for arsenic cycling in deep sea cold seep sediments. npj Biofilms Microbiomes 9, 13 (2023). https://doi.org/10.1038/s41522-023-00382-8