Demethylation of the Antibiotic Methylarsenite is Coupled to Denitrification in Anoxic Paddy Soil

缺氧水域 反硝化细菌 反硝化 去甲基化 硝酸还原酶 细菌 生物 生物化学 化学 微生物学 环境化学 基因 基因表达 氮气 有机化学 DNA甲基化 遗传学
作者
Chuan Chen,Yang Shen,Yuanhe Li,Wenwen Zhang,Fang‐Jie Zhao
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (22): 15484-15494 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c04167
摘要

Arsenic (As) biomethylation is an important component of the As biogeochemical cycle, which produces methylarsenite [MAs(III)] as an intermediate product. Its high toxicity is used by some microbes as an antibiotic to kill off other microbes and gain a competitive advantage. Some aerobic microbes have evolved a detoxification mechanism to demethylate MAs(III) via the dioxygenase C-As lyase ArsI. How MAs(III) is demethylated under anoxic conditions is unclear. We found that nitrate addition to a flooded paddy soil enhanced MAs(III) demethylation. A facultative anaerobe Bacillus sp. CZDM1 isolated from the soil was able to demethylate MAs(III) under anoxic nitrate-reducing conditions. A putative C-As lyase gene (BcarsI) was identified in the genome of strain CZDM1. The expression of BcarsI in the As-sensitive Escherichia coli AW3110 conferred the bacterium the ability to demethylate MAs(III) under anoxic nitrate-reducing condition and enhanced its resistance to MAs(III). Both Bacillus sp. CZDM1 and E. coli AW3110 harboring BcarsI could not demethylate MAs(III) under fermentative conditions. Five conserved amino acid resides of cysteine, histidine, and glutamic acid are essential for MAs(III) demethylation under anoxic nitrate-reducing conditions. Putative arsI genes are widely present in denitrifying bacteria, with 75% of the sequenced genomes containing arsI, also possessing dissimilatory nitrate reductase genes narG or napA. These results reveal a novel mechanism in which MAs(III) is demethylated via ArsI by coupling to denitrification, and such a mechanism is likely to be common in an anoxic environment such as paddy soils and wetlands.
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