PNAS：DNA分析破解地下水污染之谜

近期关于山东潍坊地下水污染的问题受到了社会的关注，近年来国内城市的地下水质越来越差，在某些地区，其污染已危及公共用水安全。那么这些地下水质出现的问题，是不是由于人类活动导致的呢？近期来自哥伦比亚大学，田纳西州大学等处的研究人员通过微生物DNA分析，解答了以上这个问题……

　　

生物通报道：近期关于山东潍坊地下水污染的问题受到了社会的关注，近年来国内城市的地下水质越来越差，在某些地区，其污染已危及公共用水安全。那么这些地下水质出现的问题，是不是由于人类活动导致的呢？

近期来自哥伦比亚大学，田纳西州大学等处的研究人员分析孟加拉国地下水质，并通过微生物DNA分析，解答了以上这个问题，相关成果公布在《美国国家科学院院刊》PNAS杂志上。

在孟加拉国及其周边国家里，数以百万计的人长期饮用砷污染的地下水，因此导致皮肤疾病和某些癌症的患病风险上升。有机碳的细菌代谢能驱动天然产生的砷从沉积物向地下水迁移，那么具体来说到底导致砷污染地下水的原因是什么呢？

在这篇文章中，Brian Mailloux等人从孟加拉国砷污染的含水层的几个深度间隔上分离出了微生物DNA，并分析了这些DNA的放射性碳标记，由此希望能了解这些微生物使用的有机碳究竟是主要来自于更晚期来自地表，被地下水输送到了的含水层，还是来自早期源于沉积物的来源。

通过一种称为“bomb pulse”的放射性碳分析，Bruce Buchholz详细分析了地下水细菌的DNA，他发现这些DNA样本更符合晚期来源而非沉积物来源，因此认为这些细菌应该首先采用了了来自地表的碳。

这种来自地表的碳在数百到数千年的时间里从地表流动到了含水层，这个速度比地下水流慢约100倍。这表明后期出现的人类活动，例如密集的地下水开采，还尚未显著影响到地下水中的的砷向地下水的释放，但是这并不是说未来就不会产生影响。

通过DNA放射性标记是检测微生物呼吸和生长过程中碳变化的一种直接方法，在这项研究中，研究小组研发出了一种新方法，可以从地下含水层过滤，提取和纯化DNA，用于放射性碳分析，以确定促进微生物还原的有机碳池。

“我们可以将近期出现的脉冲与天然碳标记中的脉冲区分开来，并从中发现了砷含量与一种自然过程直接关联，而不是由人类活动导致的，”Buchholz说。

这项研究结果将有助于科学家了解区域内砷污染的原因，并由此制定相关的策略。也许将来在国内也可以采用这种方法来检测地下水污染情况。（生物通：张迪）

原文摘要：

Advection of surface-derived organic carbon fuels microbial reduction in Bangladesh groundwater

Chronic exposure to arsenic (As) by drinking shallow groundwater causes widespread disease in Bangladesh and neighboring countries. The release of As naturally present in sediment to groundwater has been linked to the reductive dissolution of iron oxides coupled to the microbial respiration of organic carbon (OC). The source of OC driving this microbial reduction—carbon deposited with the sediments or exogenous carbon transported by groundwater—is still debated despite its importance in regulating aquifer redox status and groundwater As levels. Here, we used the radiocarbon (14C) signature of microbial DNA isolated from groundwater samples to determine the relative importance of surface and sediment-derived OC. Three DNA samples collected from the shallow, high-As aquifer and one sample from the underlying, low-As aquifer were consistently younger than the total sediment carbon, by as much as several thousand years. This difference and the dominance of heterotrophic microorganisms implies that younger, surface-derived OC is advected within the aquifer, albeit more slowly than groundwater, and represents a critical pool of OC for aquifer microbial communities. The vertical profile shows that downward transport of dissolved OC is occurring on anthropogenic timescales, but bomb 14C-labeled dissolved OC has not yet accumulated in DNA and is not fueling reduction. These results indicate that advected OC controls aquifer redox status and confirm that As release is a natural process that predates human perturbations to groundwater flow. Anthropogenic perturbations, however, could affect groundwater redox conditions and As levels in the future.