지하수에 메탄 산화에 의한 비소 동원

지하수

비소 지하수 오염은 특히 남아시아와 동남아시아에서 전 세계 수백만 명의 건강을 위협합니다. 대부분의 경우 퇴적물에서 비소가 방출되는 것은 유기 탄소를 미생물 전자 공여체로 사용하는 비소 함유 철 광물의 미생물 환원 용해로 인해 발생했습니다. 많은 비소로 오염된 대수층에서 고농도의 메탄이 관찰되었지만 비소 동원에서 메탄의 역할은 알려져 있지 않습니다. 여기에서 우리는 소우주 실험과 수지화학 및 미생물 군집 분석을 사용하여 메탄이 메탄영양체에 대한 전자 공여체로서 기능하여 비소 함유 철 광물의 환원 용해를 유발하고 메탄 산화와 관련된 유전자의 풍부함을 증가시키고 궁극적으로 동원한다는 것을 입증합니다. 연구 결과는 이전에 설명한 경로와 구별되는 비소 동원에 대한 메탄 매개 메커니즘에 대한 증거를 제공합니다. 이것을 비소로 오염된 대수층에 존재하는 메탄의 일반적인 존재와 함께 우리는 이 메탄에 의한 비소 동원이 전 세계적으로 지하수의 비소 오염에 기여할 수 있다고 제안합니다. 비소(As)로 오염된 지하수에 대한 노출은 전 세계적인 문제입니다. 비소 피부 병변은 노출 후 몇 년 이내에 나타나는 만성 비소 중독의 특징이며 종종 피부암을 유발합니다. 이러한 증상은 식수 및 관개용으로 얕은 지하수 우물에 의존하는 남아시아 및 동남아시아의 강 범람원을 따라 거주하는 인구에서 만연합니다. 얕은 지하수에서 비소 농축은 소위 "역사상 최악의 인구 집단 중독"을 초래했습니다. 일반적으로 Fe(III)(oxyhydr) 산화물은 As-bearing 대수층 퇴적물의 일반적인 구성 요소입니다. 비소를 함유한 황화물의 산화, Fe(III)(oxyhydr)oxide 광물의 흡착능 변화를 포함한 As 함유 Fe 광물의 비생물적 용해 및 변형과 As 탈착으로 인한 As 탈착을 포함하여 지하수로 As가 방출되는 다양한 메커니즘이 제안되었습니다. pH 변화 또는 phosphate7과의 경쟁에 의해. 그러나 가장 일반적으로 받아 들여지는 메커니즘은 As-bearing Fe(III) (oxyhydr)oxides8,9,10의 미생물 환원 용해입니다. 그러나 Geobacter와 같은 Fe(III) 환원 박테리아는 활성을 위해 생체 이용 가능한 탄소(C)가 필요합니다. 이전 연구는 미생물 As 동원 했으나 메탄(CH4)의 역할은 아직 밝혀지지 않았습니다. 여기에서 우리는 이러한 대수층에 풍부한 CH4가 잠재적 에너지원이 될 수 있고 미생물에 의해 매개되는 Fe(III)-광물 환원을 유도하여 As 동원을 유발할 수 있는지 조사했습니다.

 

조사 결과 및 토론

하노이에서 남동쪽으로 15 km 떨어진 Van Phuc 마을은 심각한 지하수 오염으로 알려져 있으며, 때로는 세계 보건 기구(WHO)의 음용수 한도인 10 µg/L17보다 60배 더 높습니다. 비소 함유 Fe(III) 광물 및 As, Fe 및 CH4가 높고 SO42-가 낮고 NO3-가 없는 지하수가 보고되었습니다. 현장 가스 측정은 총 용존 가스 압력(TDGP)이 As 농도와 상관관계가 있고 CH4가 지하수에서 감지된 가스의 대부분을 차지하는 것으로 나타났습니다. 이것은 Van Phuc을 Fe(III) 의존 혐기성 메탄 산화 및 As 동원에 대한 관련성을 연구하기에 이상적인 위치로 만듭니다. 대수층 퇴적물과 지하수에서 16S rRNA 유전자 앰플리콘 시퀀싱에 의한 현장 미생물 군집 구성의 분석은 발효, 메탄 생성 및 메탄영양 미생물이 퇴적물과 지하수를 지배한다는 것을 보여주었으며, 이는 이 대수층에서 CH4 순환이 발생함을 시사합니다. 더욱이, 지하수 우물 중 일부에서 우리는 알려진 Fe(III) 환원 CH4 산화제인 Candidatus Methanoperedens와 관련된 염기서열의 풍부함(최대 4%)을 발견했습니다. As 및 Fe 함유 퇴적물(~40 m 깊이)을 사용하여 CH4가 미생물에 의한 Fe(III) 광물 환원 및 As 동원을 유도할 수 있는지 여부를 조사했습니다. 미생물 활성 퇴적물을 인공 지하수 및 현장 관련 CH4 농도(~45 mg CH4/L)로 수정하고 무생물 대조군(CH4 포함) 및 생물 대조군(CH4 없음)과 비교했습니다. 물 및 침전물에서 Fe 산화환원 종분화(분광광도계 페로진 분석을 사용하여 정량화), 용해 및 고체상 비소(유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS) 및 싱크로트론 기반 X선 흡수 근단 구조(XANES)에 의해 분석됨) ) 분광법) 및 주요 이온(ICP-MS에 의해 결정됨)을 시간 경과에 따라 모니터링했습니다. 높은 CH4 및 CO2 농도(현장 현장 조건 시뮬레이션)로 인해 농도 변화를 모니터링할 수 없었습니다. 미생물 군집을 특성화하고 125일 및 220일의 배양 후 CH4 산화 및 Fe(III) 환원을 매개하는 미생물을 확인했습니다. 이 시점은 Fe(III) 환원 과정과 관련된 명백한 관련성을 기반으로 선택되었습니다. 결과는 CH4가 Fe(III)-미네랄 환원을 유발하고, 미생물 군집 구성의 변화를 유도하고, 메탄 순환 mcrA 및 pmoA 유전자의 풍부함을 증가시키고, 궁극적으로 As를 물에 방출한다는 것을 보여주었습니다. 따라서 처음으로 Fe(III) 광물 환원과 결합된 CH4 산화를 통한 As 동원에 대한 실험적 증거입니다. 구체적으로, 우리는 CH4가 있는 생물 소우주에서 최대 0.5 mg Fe/g(총 퇴적물 Fe의 최대 6%)이 120일까지 Fe(II)로 환원되었음을 발견했습니다. 그러나 Fe2+는 물 속으로 방출되지 않았습니다. Fe(III) 환원 정도가 낮음에도 불구하고 이동이 관찰됨에 따라 거의 1.5μg/L에 도달했습니다. 총 퇴적물의 2% As의 초기 방출은 이 As가 결정성이 낮은 Fe(OH)3와 같은 Fe(III) 광물의 쉽게 생체이용 가능한 분획에 결합되었음을 시사합니다. 박테리아 16S rRNA 유전자 카피 수는 CH4와 함께 배양한 첫 125일 동안 4배 정도 증가했습니다. 원래 퇴적물에서 박테리아와 고세균에 대한 16S rRNA 유전자 복제 수는 유사했지만 125일 후에 박테리아가 고세균보다 최대 3배 더 우세했으며 pmoA 유전자가 풍부했습니다(미립자 메탄 모노옥시게나제, 호기성 메탄영양생물도 표적으로 사용). 아질산염 의존적 CH4 산화는 우리의 실험이 무산소이고 다른 전자 수용체를 포함하지 않았기 때문에 이 유전자를 소유한 미생물이 Fe(III)를 감소시킬 수 있음을 시사합니다. 또한 혐기성 CH4 산화 고세균 정량에 일반적으로 사용되는 마커 유전자인 mcrA 유전자는 모든 CH4 수정 소우주에 존재했습니다. 원래 퇴적물은 Thaumarchaeota(22%)와 Bathyarchaeia(17%)에 속하는 고세균이 지배적이었지만 CH4가 공급된 소우주의 배양 동안 미생물은 Methylogaea oryzae jcm 16910과 거의 동일(99%)했습니다. 원래의 퇴적물과 생물적 및 비생물적 대조군에서는 매우 낮은 존재비(<0.05%)를 보였습니다. RNA 기반 분석은 M. oryzae가 활성 미생물 군집(30-80%)을 지배하고 있음을 보여주었으며, 이는 CH4를 전자 공여체로 사용하고 Fe(III)를 전자 수용체로 사용할 수 있음을 시사합니다. M. oryzae는 이전에 호기성 메탄 산화제로 특성화되었지만 실험에서는 Fe(III) 환원 조건에서 메탄을 산화시켰습니다. 게놈(IMG ID: 2675903437)에서 시토크롬 c 합성에 관여하는 30개 이상의 단백질 코딩 유전자와 Fe 복합막 수용체 및 Fe 수송 시스템에 대한 19개의 단백질 코딩 유전자를 발견했습니다. M. oryzae jcm 16910의 게놈에는 Geobacter metallireducens 및 Shewanella putrefaciens의 Fe(III) 감소에 관여하는 것으로 나타난 pulE 유전자와 동족체 ferE가 포함되어 있습니다. 이러한 발견은 M. oryzae jcm 16910과 우리의 소우주에 풍부한 밀접하게 관련된 methanotrophs가 CH4 산화를 위한 전자 수용체로 Fe(III)를 사용할 수 있는 유전적 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다. 125일에서 220일 사이에 Fe(III) 환원 정도는 CH4 수정 소우주(ANOVA, p < 0.005)에서 크게(최대 26%) 증가했습니다. 1.5 mg/g 이상의 Fe(II)/g 침전물이 생성되었고 26 mg/L Fe2+가 용액으로 방출되었습니다. 비생물적 CH4 수정 및 생물적 비 CH4 수정 소우주에서 Fe(III) 감소가 없거나 미미한(2%) 감소하여 활성 CH4 수정 소우주에서 Fe(III)가 감소되었음을 확인했습니다. 전자 공여체로 CH4와 미생물학적으로. 용존 As는 ~3 µg/L(총 As의 4%)로 크게 증가했습니다(ANOVA, p < 0.005). 우리의 소우주(물/퇴적물 = 3.3:1wt/wt 및 다공성)와 비교하여 대수층(1:8 wt/wt)과 0.25의 다공성(석영과 동일한 침전물 밀도)의 더 낮은 물/퇴적물 비율을 고려합니다. 실험에서 As 농도(3 µg/L)는 현장에서 80 µg/L에 해당합니다. 이는 CH4가 풍부한 유정(61–509 μg As/L)에서 CH4 산화의 결과로 상당한 양의 As가 방출될 수 있음을 시사합니다. 계산된 CH4 산화 속도(3.16 × 10-6 mol CH4 cm-3 yr-1)는 다른 환경에서 측정된 것과 비슷합니다. 125일 후에 풍부했던(>30%) M. oryzae와 관련된 서열은 220일 후에 3개의 소우주 중 2개에서 감소했습니다(총 미생물 군집의 0.15 및 1.5%로). 하나의 소우주에서만 M. oryzae 관련 서열이 여전히 ~30%를 나타냅니다. 그러나 세 개의 CH4 수정 미생물 활성 소우주 모두에서 Ca에 속하는 고세균으로 분류되는 또 다른 분류군이 있습니다. Methanoperedens가 지배적이었습니다. 인큐베이션 전의 상대적 존재비는 0.16%에 불과했고 125일 후에는 하나의 CH4 수정된 소우주(0.3%)에서만 검출되었지만 220일 후에 상대 존재비는 3개의 CH4 수정된 소우주 모두에서 41-64%로 증가했습니다. 고세균의 증가는 또한 qPCR에 의해 확인되었습니다. 125일째에 우세한 박테리아 16S rRNA 유전자 카피 수는 감소한 반면, 고세균 유전자 카피 수는 220일째에 박테리아 및 초기 고고학자 인구와 비교하면 규모가 10배나 됩니다. 더욱이, mcrA 유전자의 풍부도는 고대의 16S rRNA 유전자 카피 수와 상관관계가 있는 모든 CH4 수정 생물 소우주에서 증가했으며, 이는 우리 소우주에 있는 대부분의 고세균이 CH4 산화가 가능함을 암시합니다. 대조적으로, pmoA 유전자 카피 수는 감소하였고, 이는 pmoA 유전자를 보유하는 M. oryzae의 소멸을 반영합니다. RNA 기반 시퀀싱은 Ca. Methanoperedens는 또한 220일째에 활성 미생물 군집 중에서 가장 풍부한 분류군이었으며, 이는 M. oryzae 및 Ca와 관련된 초기 우세 박테리아를 초과 성장했음을 시사합니다. Methanoperedens는 125일에서 220일 사이에 증가된 Fe(III) 감소에 대한 책임이 있습니다. 알려진 Fe(III) 호흡 미생물 Geobacter sp. 및 Geothrix sp는 Fe(III) 환원에 약간만 관여했음을 시사합니다. 실험은 무산소 조건에서 수행되었으며 (NO3-)가 존재하지 않았으며 용해 된 Mn2 + 및 S 종의 축적은 O2, NO3-, Mn( IV) 및 전자 수용체로서 산화된 S-화합물(pH는 인큐베이션 전반에 걸쳐 7.5 ± 0.3에서 안정적으로 유지됨). 이 관찰은 일반적으로 받아 들여지는 Fe(III) 광물의 미생물 매개 환원 용해에 대한 새로운 빛을 비추고 이 과정에서 메탄영양 고세균의 중요성을 강조합니다. 동남아시아의 많은 지역에서 높은 As, Fe 및 CH4 농도의 동시 발생이 보고되었습니다. Bengal, Mekong 및 Red River 삼각주에 걸쳐 900개 이상의 지하수 샘플을 분석한 결과 메탄 생성 구역과 현장에서 가장 높은 As 농도가 나타났습니다. 높은 CH4, Fe 및 As 사이의 관계는 일반적으로 As가 풍부한 Fe(III) 함유 침전물의 환원적 용해로 이어지는 환원 조건을 생성하는 발효 및 메탄 생성을 통한 유기 물질의 분해로 설명됩니다. 우리의 결과는 CH4가 편재하고 Fe(III)-미네랄 환원 및 용해를 촉진하는 메탄영양 미생물의 전자 공여체 역할을 할 수 있으며 결과적으로 이러한 미네랄에 결합된 As의 동원에 기여할 수 있음을 보여주었습니다. 요약하면, 우리의 데이터는 CH4 구동 As 동원이 As 함유 Fe(III) 광물을 사용할 수 있고 CH4가 존재하는 베트남에서 연구된 대수층과 유사한 많은 환경에서 발생할 수 있음을 시사합니다. 따라서 As 동원 및 지하수 오염의 수수께끼 메커니즘에 대한 강력한 새로운 통찰력을 제공합니다.