南昌大学谢显传团队STOTEN综述：亚磷酸盐在环境磷循环中的作用

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成果简介

近期， 南昌大学资源与环境学院 谢显传教授团队在环境领域著名学术期刊 Science of the Total Environment 上发表了题为“Role of phosphite in the environmental phosphorus cycle”的综述论文 。文中提出由于 受热力学壁垒的限制，长期以来人们一直认为磷无法进行氧化还原反应，因此还未确定还原磷在全球磷循环系统中的作用。然而，亚磷酸盐（Phi）广泛存在于各种环境中，并积极参与全球磷的氧化还原循环。本文列举了亚磷酸盐的全球定量证据，并详细阐述了亚磷酸盐的早期起源和现代生物/非生物来源。此外，分析了基于亚磷酸盐还原路径的磷氧化还原过程，并根据这个路径提出了全球多环境（土壤、湖泊以及海洋）亚磷酸盐氧化还原循环。同时还提出了亚磷酸盐在富营养湖泊中控制藻类和对植物生态效应的可能作用 。

全球的科学家们正在努力全面解释磷循环，并逐渐探索磷循环的基础，试图编制一张完整的"磷地图"。因此，系统地考虑磷循环的各个方面是解决未来"磷资源"和"磷环境"问题的关键。最近的证据表明，早期地球上P的地球化学过程受到还原态磷（如 Phi ）的控制，而不是磷酸盐。这一证据还解释了太古代海洋中 Phi 的存在优势。Van Mooy等人（2015年）报告了他们发现的大量快速循环的还原态磷（还原磷）化合物，它们在海洋磷的生物地球化学过程中起着关键作用。Benitez-Nelson等人（2015年）进一步证实，海洋中的磷通过以前未被认识到的大量还原态磷形式进行高速循环。还原磷解释了生命起源中与磷酸化相关的许多不确定性，例如磷的低溶解度和低反应性，一些推动磷氧化还原反应的因素的发现被提出作为解决生命起源中的“P问题”的线索。有越来越多的证据表明， 亚磷酸盐 存在于地球的几乎每个角落，并且应该被视为磷生物地球化学循环的一部分。然而，大多数研究人员忽略了亚磷酸盐。尽管不同环境中亚磷酸盐的分布模式仍然未知，但 亚磷酸盐 在土壤、淡水、沼泽、沉积物和海洋中以不同氧化态存在的事实得到了支持。此外， 亚磷酸盐 在特定环境中的浓度差异也已被检测出来，例如地热池、污水处理厂、早期太古代岩石和生物体（白蚁后肠）。因此，我们认为有必要重点关注还原磷的贡献，以便在科学上澄清磷在生态系统中的作用。磷的生物地球化学循环需要以还原态作为参与者进行重新评估 。

图文导读

亚磷酸盐的早期来源

P的氧化还原反应可能在早期地球上是一个重要的过程。在大气氧化之前，还原磷化合物通过多种途径被输送到地球上，如陨石运输磷化物矿物、闪电来源、生物源、地热源和铁诱导的氧化还原反应。除了生物起源外，上述来源对早期地球中海洋 亚磷酸盐 的积累做出了贡献（图2）。除此之外，没有发现其他来源的证据。值得注意的是， 磷酸盐 被地质过程还原为 亚磷酸盐 是非常苛刻和有限的 。

陨石是早期地球中还原磷的主要来源，一部分地壳中的磷（1-10%）可能来自于陨石（图2-①）。证据表明，在太古代时期，地球经历了频繁的剧烈陨石撞击，陨石将以 陨磷铁镍石 的形式提供大量的矿物磷（（Fe，Ni）3P）。 陨磷铁镍石 是陨石中常见的微量矿物，且是主要的磷载体（约2%），其与水迅速反应或风化后，会释放更具反应性的还原性P化合物（次磷酸盐和 亚磷酸盐 ）（图2-④⑥） 。

亚磷酸盐 在早期地球的积累为现代环境沉积物和地层岩石中的释放提供了原始条件。就现代地球化学而言，自然界中 亚磷酸盐 的常见来源是亚铁氧化和微生物转化，与之前讨论的早期太古代来源有根本的不同。陨石来源已经不再活跃，生物源（转化）成为主要来源。 考虑到 亚磷酸盐 丰度可以作为细菌的唯一磷源（10-67％），许多研究支持了土壤、淡水、沉积物和海水中存在不同氧化状态的 亚磷酸盐 。在土壤系统中， 亚磷酸盐 的最大来源可能是农业中施用含磷肥料和农药（图3a-①）。通过雨水径流， 亚磷酸盐 从农业系统进入湖泊/湿地系统，并在一个单独的环境中进行氧化还原循环（图3a-①②③） 。

人为来源的 亚磷酸盐 可以是工业废弃物的组成部分（图3a-⑤）和农业径流（图3a-①），而人为输入（图3a-⑥）已经活跃了近一个世纪。图1b中呈现的一些 亚磷酸盐 情况可以归因于人为输入，这是一个仍缺乏特征化的来源。然而，有关 亚磷酸盐 的人为输入到环境中的信息已有充分的记录，农业行业每年通过施用肥料、农药和生物刺激剂将 其 产品引入土壤系统（图3b-①②③）。肥料、有机磷农药、塑料稳定剂和水处理剂都可能是 亚磷酸盐 的重要人为来源。 亚磷酸盐 也可以通过工业途径（ 磷酸盐 产品的生产和使用）进入环境。

膦酸脂 降解是亚磷酸盐生成的主要途径。与有机磷（OP）化合物中的C-O-P键不同， 膦酸脂 是含有C-P键（P ³⁺ ）的有机化合物。它们可以占某些海洋生物体中溶解有机磷（DOP）的25％。亚磷酸盐和次磷酸盐可能是微生物 膦酸脂 生物合成过程中产生的副产品，因为磷酸烯醇丙酮酸（PEP）中的磷酸盐被 H ₂ 还原生成丙酮酸和亚磷酸盐的过程是耗能的。PEP是C-P生物合成过程中 磷酸酯 的关键前体，我们推测 亚磷酸盐 可能是通过这种化合物的重排和还原或其他 膦酸盐 化合物的降解产生的。通过研究各种天然和合成 膦酸脂 化合物作为P、C和能量来源的降解过程，研究人员在不同细菌物种中发现了四种不同的降解途径：（a）膦酰丙酮酸水解酶途径，（b）膦酰乙酸水解酶途径，（c）膦酰乙醛水解酶（膦酰酶）途径以及（d）C-P裂解酶途径（图 5a）。

与 磷酸盐 还原机制不同， 亚磷酸盐 氧化对能量的需求较低。一些微生物将 亚磷酸盐 氧化为 磷酸盐 ，然后利用后者作为细胞摄取的磷源。这个过程被称为 同化亚磷酸盐 氧化（APO），其遗传基础和生化机制已被广泛研究。例如，在大肠杆菌中的C-P裂解酶除了能够代谢 磷酸盐 之外，还能代谢 亚磷酸盐 。根据甲基膦酸盐的C-P裂解已知机制， 亚磷酸盐 氧化为 磷酸盐 很可能通过P-H键的自由基断裂来进行。另一个已知能够氧化亚磷酸盐的酶是BAP，一种由phoA基因编码的外质膜蛋白，通常在磷饥饿期间参与OP水解以摄取磷。然而，除了磷酸酶活性外，已经发现大肠杆菌中的BAP能够在体外将 亚磷酸盐 氧化为 磷酸盐 ，并产生分子氢。该反应的进行方式类似于典型的磷酸酯水解反应，只是分离基团是来自亚磷酸盐的氢化物（H-），并与质子反应生成H ₂ 。第三种已知的APO酶是由ptxD基因编码的 亚磷酸盐 脱氢酶。假单胞菌属（Pseudomonas stutzeri，简称P. stutzeri）中的PtxD酶能够在体外利用氧化的 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+）作为唯一辅酶，氧化 亚磷酸盐 产生 磷酸盐 和还原型NAD（NADH） 。

亚磷酸盐 还可以作为电子供体和能源，在一个被称为异种亚磷酸盐氧化（DPO）的过程中促进微生物生长和碳固定。目前能够进行DPO的已知分离物只有脱硫磷酸盐菌株FiPS-3和磷化氢假丝酵母（Candidatus Phosphitivorax，Ca.P.）厌氧菌菌株Phox-21:Candidatus Phosphitivorax (Ca. P.) anaerolimi strain Phox-21。前者通过将 亚磷酸盐 氧化与硫酸盐还原为硫化物、二氧化碳还原为乙酸或硝酸盐还原为氨的过程耦合生长 。

尽管在实际中 亚磷酸盐 的非生物氧化速度非常慢，但通过催化作用或强氧化剂（如反应性自由基）可以加速它的氧化。例如，Fenton反应器产生的·OH自由基或微波等离子体产生的H ₂ O的解离所引发的一系列自由基反应可以促进H ₂ PO ^2- 和HPO ₃ ^2- 的氧化。此外，通过使用Fe ²⁺ 作为催化剂，溶液中的H ₂ O ₂ 产生·OH和·OOH，羟基自由基氧化 亚磷酸盐 和 次磷酸盐 形成 磷酸盐 ，并产生显著的缩聚磷酸盐产量（约34%） 。

3. Phi的还原途径

从热力学的角度来看，厌氧微生物无法合成还原磷化合物。 磷酸盐 还原与能量保存或ATP产生的关联在自然环境中是不太可能的。将 磷酸盐 还原为PH ₃ 所需的能量约为1100 kcal/mol。然而，综合现有的证据，我们认为 亚磷酸盐 还原过程在特定环境介质中普遍存在。在富磷环境中， 亚磷酸盐 和PH ₃ 的水平与 磷酸盐 的水平显著相关，如富营养湖泊、土壤、沉积物、稻田和其他湿地环境中。

尽管对生物 亚磷酸盐 还原的证据尚不确定，但已提出了几种理论机制。 亚磷酸盐 主要来源于生物过程，如磷酸酯的降解。考虑到C-P裂解酶参与了各种磷酸酯化合物的降解，C-P裂解途径可能会释放一定量的 亚磷酸盐 到环境中。此外，α-碳上带有羰基或羟基的膦酸盐，例如膦甲酸，即使在氧化条件下，也倾向于形成亚磷酸盐。除了在磷酸酯降解过程中产生外， 亚磷酸盐 还可以作为在还原环境中 磷酸盐 生物合成的副产物。在标准细胞条件下，PEP通过H ₂ 的还原解离可形成 亚磷酸盐 和丙酮酸，这在热力学上是可行的。Roels和Verstraete（2001年）提出了一种更直接的 磷酸盐 还原为 亚磷酸盐 的机制， 他们指出固氮酶复合物的还原钼铁氧还蛋白辅因子的氧化还原电位足够低（-1.0 V，），可以将磷酸盐还原为亚磷酸盐。 在无机 磷酸盐 和有机物存在条件下，微生物将 磷酸盐 还原为PH ₃ ，其中 亚磷酸盐 是一个重要的还原中间体。Bains等人（2019年）提出了 磷酸盐 还原为PH ₃ 可以产生能量的可能条件，解释了PH ₃ 产生与生物活性之间的关系。

热力学计算表明（图5b），通过氢将磷酸盐还原为亚磷酸盐或磷化氢是耗能的，因此微生物不能利用它来捕获环境中的能量。证据表明，磷酸盐到磷化氢的完整过程是由特定的微生物驱动的，这验证了我们提出的生物磷化氢产生可能存在着特定的复杂还原环境。在特定的环境中，磷酸盐还原菌和亚磷酸盐歧化菌的联合作用可以产生磷化氢。磷酸盐还原菌可以通过将磷酸盐还原与NADH氧化耦合，并从中捕获能量。Roels和Verstraete（2001）也认为环境磷化氢的来源是发生在溶液中的歧化反应。如图所示，从能量角度来看，亚磷酸盐歧化为磷化氢和磷酸盐在高温下是有利的（中性pH下，标准吉布斯自由能的负值），而在室温下不受青睐；在浅湿地生态系统的可能温度下，亚磷酸盐歧化仅在极低pH值下发生。因此，亚磷酸盐歧化可能是生物磷化氢的重要来源，但这一来源需要限制性环境因素才能成立（pask认为高磷环境更有利）。细胞内的氧化还原载体NADH也是一种理想的还原剂。我们推测生物产生PH ₃ 发生在复杂而高度结构化的环境中，在这种环境中，亚磷酸盐在低温下产生，PH ₃ 在高温下产生。NAD(P)H是介导所有细胞内氧化还原代谢反应的主要辅因子。在氢酶的作用下，NADH在高度还原的环境中氧化为NAD+，用于发酵（厌氧）代谢。代谢产生的过量电子必须通过还原氧化底物来处理，这是厌氧细菌产生硫化氢和甲烷的基础。图5b显示，NADH将磷酸盐还原为亚磷酸盐在较大范围的pH和温度下，其热力学条件都是有利的。

基于Phi的多环境介质循环

在土壤系统中，厌氧微生物利用氧化物作为电子受体，将其转化为还原形式，并降低土壤的氧化还原电位。因此，氧化还原过程被引入土壤P生物地球化学循环中（图6）。亚磷酸盐是通过土壤内的生物过程或外部人为输入产生的。在不断变化的土壤环境中，亚磷酸盐的产生可能会随着增强的缺氧条件和磷酸酯 C-P键的断裂过程而增加。随着土壤深度（缺氧）和化学诱导的土壤亚磷酸盐浓度的增加，利用亚磷酸盐的微生物的数量也会增加，从而加速了土壤中亚磷酸盐的耗尽速率 。

亚磷酸盐氧化（APO）和磷酸盐的生物降解导致植物对亚磷酸盐的摄取作为养分，可能是还原磷对植物产生正效应的最直接解释，其对真菌性根病的杀菌效应相对较小。亚磷酸盐也能够被根系统吸收并更容易进入植物体内，因此土壤中的亚磷酸盐可能在长期饱和条件下影响植物生长（图6-①）。Kehler（2021年）认为亚磷酸盐/次磷酸盐形式中的还原磷对植物生长有益，但PH ₃ 形式中的还原磷对植物寿命产生负面影响。然而，我们认为亚磷酸盐对植物的生态效应并不总是积极的，特别是在P缺乏的环境下。值得注意的是，在降雨量较高或冬季频繁降雨的许多地区，Eh还原作用导致饱和土壤中磷酸盐的生化还原过程增强（图6中的过程③），这意味着植物根系可以轻易吸收的自由亚磷酸盐离子的含量将增加。因此，降雨径流将部分亚磷酸盐带到下一个环境单元（河流或湖泊），在那里亚磷酸盐可能保持稳定，因为还原条件发生改变，亚磷酸盐的非生物氧化需要特定条件。另一方面，厌氧微生物利用亚磷酸盐作为电子供体和能源生长和固定碳（DPO）。如图6-④所示，DPO过程通过合成硫酸盐（二氧化碳或硝酸盐）还原产生能量，驱动ATP生成来节约能量。在土壤系统中，DPO需要比APO更高浓度的亚磷酸盐，这可能是APO在亚磷酸盐/次磷酸盐化合物的P积累中更为普遍的原因。然而，DPO产生的磷酸盐比APO更多，这可能是亚磷酸盐富集区域（例如海洋沉积物）更倾向于通过DPO途径获得P的原因。值得注意的是，DPO过程产生的磷酸盐不被微生物自身利用，而是排泄到环境中。由于APO和DPO只发生在氧化还原条件下，将亚磷酸盐转化为磷酸盐需要高度饱和的低氧化还原电位条件。这与其他还原磷化合物的氧化过程不同，后者需要氧化环境来推动还原磷向完全氧化的磷酸盐形式的转化。这种机制在富营养化湖泊中更为显著。

正如前面提到的，富营养湖泊（包括沉积物）是 磷酸盐 还原的极其有利的场所（高磷、缺氧、硫酸盐/二氧化碳缺乏）。一些富营养（厌氧）环境中报道的无机磷（IP）中，有高达10％以 亚磷酸盐 的形式存在。据报道，沉积物中的 亚磷酸盐 占总悬浮颗粒物的5.51％，表明 亚磷酸盐 是湖泊中“P家族”中的重要成分。全球环境或有机体中普遍存在的细胞内氧化还原载体NADH可能解释了湖泊环境中 亚磷酸盐 的产生。这是一个结构化的分层系统（温暖的、高酸性环境或炎热的、中等酸性环境），其中 亚磷酸盐 的产生发生在较冷的底层水中， 亚磷酸盐 的不均衡反应发生在较暖的表面水中（图7a-①②）。

从早期太古代的海洋到现在，磷酸酯和 亚磷酸盐 一直参与全球P氧化还原循环，甚至超过了 磷酸盐 输入海洋的规模。海洋中的P原子不断地在价态之间转换（主要为+5和+3）。在贫营养带，表层水的DOP含量几乎是 磷酸盐 的10倍，以C-P键形式存在的膦酸酯占DOP的约5-10％。因此，在贫营养带中，溶解的磷酸酯浓度几乎与表层的 磷酸盐 相等。溶解态和颗粒态磷之间的氧化还原循环速率与从陆地和大气源输入海洋的TP类似（图8）。Van Mooy等人（2015年）应用古细菌细菌碳固定的估计，并估计表层海洋中的浮游植物每年可还原约10 ¹¹ 摩尔的 磷酸盐 。相比之下，前人类时代河流输入海洋的 磷酸盐 约为每年10 ¹⁰ 摩尔的磷（图8）。

大多数膦酸酯化合物通过多种酶在微生物体内转化或代谢成 磷酸盐 或 亚磷酸盐 ，以供细胞摄取。除了膦酸酯之外，不同质子化的 亚磷酸盐 可能也在贫营养海洋的生物地球化学中起重要作用。在没有可用的 亚磷酸盐 的情况下，一些细菌进化出了代谢还原磷化合物以获取磷的机制（图8-②③），包括关键的初级生产者Prochlorococcus和固氮蓝藻Trichodesmium。它们是寡营养海洋中最丰富的浮游植物群落。这些生物携带Phi摄取和氧化的基因，类似于Trichodesmium。此外，研究人员发现，Trichodesmium细胞摄取的 磷酸盐 中有0.9-16.0％被还原为P3+化合物。Van Mooy等人（2015年）提出，P ³⁺ 化合物类似于P循环的“货币”，在Trichodesmium和共存于族群中的其他微生物之间快速循环。在海洋表层水体（仅在特定研究地点）中，所有浮游植物群落产生的 磷酸盐 通过P ³⁺ 化合物结合，占0.7-16.5％。因此，随着深度增加和接近中深层带， 磷酸盐 的生化还原似乎成为浮游植物群落中P氧化还原循环的一个重要组成部分。

在富含生物源膦酸盐的情况下，并且由于大多数海洋沉积物具有硫化性质，海洋或河口可能是 亚磷酸盐 富集的地点，特别是在存在FiPS-3和Phox-21的情况下，它们增加了 亚磷酸盐 对非生物氧化的抵抗性。此外，许多沿海沉积物受到工业废水和农业径流的影响，这可能是还原磷的额外来源。因此， 亚磷酸盐 的生物氧化在刺激沿海水域富营养化以及促进贫营养开放海域的初级生产者生长方面起着关键作用（图8-①）。

亚磷酸 盐 的生态效应

亚磷酸盐在现代地球环境中分布广泛，特别是在海洋或湖泊环境中，占磷系统的30%以上。这引发了一个新的环境科学问题，即湖泊（海洋）富营养化是否受到还原磷的氧化还原过程的影响。人们普遍认为叶绿素-a的产生与湖泊中的Pi和TP浓度有关。到目前为止，还原磷在环境中的生态角色还未引起关注，只有少数研究探讨了亚磷酸盐对藻类/植物生长和光合作用的影响。

在天然水体中，亚磷酸盐浓度通常比PH ₃ 高几个数量级，亚磷酸盐被认为不可避免地影响藻类生长或引起氧化应激。此外，进入水生系统的亚磷酸盐可能被氧化为活性磷酸盐。因此，在富含磷的条件下，亚磷酸盐可能是藻类暴发的关键因素（亚磷酸盐与TDP呈正相关）。研究表明，约10-67%的可培养细菌可以将亚磷酸盐作为唯一的磷源利用，例如全球重要的海洋初级生产者原核藻属。Hashizume等人（2020）首次报道了真核藻类（Chlorella vulgaris（NIES-2170）和Coccomyxa subellipsoidea（NIES-2166））可以利用亚磷酸盐作为磷源（最大利用率为39%），而这些物种通常在湖泊、水库和池塘中大量繁殖。考虑到微藻的遗传多样性，一些藻类物种可以更有效地利用亚磷酸盐作为磷源。因此，异养细菌和微藻对亚磷酸盐的利用可以被视为全球磷氧化还原循环的重要组成部分。对于湖泊而言，沉积物中的还原磷组分可能是有利的磷补充来源，而不是像之前认为的细菌和藻类生长完全受到正磷酸盐的限制。铜绿微囊藻是淡水系统中主要的水华物种之一。Zhang等研究表明，在任何浓度下，铜绿假单胞菌都不能直接利用亚磷酸盐作为唯一的磷营养素来促进细胞生长。然而，当磷酸盐存在时，亚磷酸盐可以提高细胞数量和叶绿素a含量。如图9a和9b所示，在存在亚磷酸盐的情况下，磷酸盐与叶绿素-a和藻细胞数量的相关性更显著。在磷酸盐-亚磷酸盐培养基中，亚磷酸盐在磷酸盐缺乏（0.01或0.10 mg/L）条件下引起叶绿素-a水平轻微增加，但在磷酸盐充足（0.54 mg/L）条件下引起叶绿素-a水平剧增。在磷酸盐-亚磷酸盐培养基中，PSII的最大量子效率（Fv/Fm）略高于单一亚磷酸盐或磷酸盐培养基中的细胞，表明亚磷酸盐可以刺激混合底物中的细胞光合作用，并在磷酸盐丰富的情况下促进叶绿素-a浓度的增加，特别是在存在适量但不过饱和的磷酸盐供应的条件下。

随着藻华的发展和持续增长，大量还原磷在沉积物和水柱中积累。这意味着在磷酸盐充足的情况下，亚磷酸盐仍然可以促进藻类暴发。我们简要介绍了亚磷酸盐在湖泊富营养化中的调控作用（图10a）。对于能够利用亚磷酸盐的物种，磷对藻类生长的可利用性增加，特别是在P缺乏的环境中，亚磷酸盐成为理想的替代磷源。对于无法将亚磷酸盐作为磷源利用的物种，亚磷酸盐通过与磷酸盐的协同作用促进藻类生长，并显著增加叶绿素-a的浓度，尤其是在磷酸盐供应充足但不过饱和的条件下。尽管亚磷酸盐在叶绿素-a产生中的作用尚不清楚，但磷酸盐-亚磷酸盐培养基中的叶绿素-a含量比单一亚磷酸盐培养基中的含量高得多。此外，据报道亚磷酸盐基于的氧化还原过程可增加藻类可利用的磷形式的量，该过程包括正磷酸盐与无机磷的循环（图10a）。多项研究已经表明，亚磷酸盐和磷酸盐的组合比亚磷酸盐或磷酸盐单独应用更有效促进植物生长。然而，关于亚磷酸盐作为磷肥的适用性存在争议。Thao和Yamakawa（2009）明确指出，植物无法直接利用亚磷酸盐作为磷的来源。如图10b所示，由于亚磷酸盐和磷酸盐在分子结构和转运体上的相似性，一些植物和酵母蛋白似乎无法区分亚磷酸盐和磷酸盐。亚磷酸盐可以很容易地被叶子和根吸收，但它并不能促进植物生长。相反，亚磷酸盐被发现对磷限制的植物的生长和代谢产生负面影响，通过抑制植物对磷限制的典型分子和发育反应来加重磷限制的症状。因此，亚磷酸盐对植物生长和产量的不利影响在很大程度上取决于植物的磷酸盐状况。亚磷酸盐对植物营养的有益影响可能是由土壤微生物活动将亚磷酸盐氧化为磷酸盐而激活的。然而，进入植物的亚磷酸盐只有一小部分会被氧化为磷酸盐，因为亚磷酸盐分子非常稳定，并且植物缺乏快速同化亚磷酸盐的生化机制，亚磷酸盐会在植物组织中持续存在几个月。亚磷酸盐在农业背景中的优势也可以归因于它的杀菌效果，亚磷酸盐作为杀菌剂和生物刺激剂被广泛应用于控制一些植物病原菌。

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