三峡水库消落带与纳木错土壤、底泥汞甲基化微生物分布特征

发布时间：2020-11-04 03:47

　　 汞(Mercury,Hg)已经被列为一种全球污染物。自然界中,汞主要以无机单质汞(Hg(0)、Hg~0)、二价汞(Hg(II)、Hg~(2+)),以及有机汞化合物,如单甲基汞(CH_3Hg~+、甲基汞、MeHg)和二甲基汞(DMHg)存在于环境中。甲基汞可以在水生生态系统食物链中生物放大,致使鱼等水产品中达到高浓度,从而对人类健康构成威胁。研究表明,Hg(0)和Hg(II)都可以通过生物和非生物过程转化为甲基汞。然而,当前主流观点认为,甲基汞主要是由微生物,特别是存在于自然环境中的一群厌氧微生物作用生成。大量研究表明:硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB)、铁还原菌(Iron reducing bacteria,IRB)、甲烷生成菌(Methanogens),以及发酵、乙酸和纤维素分解等厌氧微生物是主要的汞甲基化微生物。这些微生物的共同特征是具有决定汞甲基化作用有无的关键基因簇hgcAB。因此,研究环境中汞甲基化微生物对于正确认识甲基汞的生成过程与人体暴露风险具有十分重要的意义。大量研究发现,水生生态系统底泥是甲基汞的主要来源,因此,研究水生生态系统底泥的汞甲基化微生物组成具有十分重要的意义。本论文旨在以三峡水库消落带和青藏高原纳木错两个典型的汞敏感型水生生态系统土壤、底泥为研究对象,分析三峡水库消落带与纳木错土壤、底泥与水体中THg、MeHg浓度,及MeHg/THg比值。同时,采用末端限制性片段多态性(T-RFLP)、克隆文库、实时荧光定量PCR法(q-PCR、qRT-PCR)以及16S rRNA扩增子高通量测序技术,对三峡水库消落带和青藏高原纳木错底泥、土壤中与汞甲基化相关基因量及相关微生物组成、丰度与多样性进行分析,从而预测三峡水库消落带与纳木错底泥中可能存在的汞甲基化微生物。通过研究发现,三峡水库忠县石宝寨(S)、涂井(T)和涪陵珍溪(Z)三处消落带,全淹土、半淹土和未淹土之间MeHg/THg比值范围在0.18%-2.81%,青藏高原纳木错湖心底泥和岸边土壤中,MeHg/THg比值范围在1.12%-2.46%,与三峡水库消落带的汞甲基化能力相当,但二者均远远低于其他水生生态系统。三峡水库石宝寨消落带落干期全淹土SI变成淹没期底泥SSe之后,SSe的MeHg/THg比值(2.05%)也高于SI(1.76%),这证实了底泥具有更高的汞甲基化能力,与前人的结果相一致。然而,这也说明三峡水库消落带和纳木错底泥中汞的微生物甲基化能力均处于相对较低的水平。通过对三峡水库忠县石宝寨、涂井和涪陵珍溪三处消落带全淹土、半淹土和未淹土中hgcA(汞甲基化微生物)、dsrB(SRB)和mcrA(甲烷生成菌)基因存在量分析表明,土壤中的MeHg浓度与dsrB基因存在量呈现正相关性,石宝寨和涂井消落带土壤MeHg浓度与hgcA基因存在量呈现正相关性。并且,消落带土壤中dsrB基因丰度显著高于hgcA丰度(p0.001),这可能表明消落带土壤中只有一小部分SRB是汞甲基化微生物,参与到汞的微生物甲基化过程当中。通过对三峡水库石宝寨消落带的全淹土SI与未淹土SN中含dsrB基因的微生物的系统发育分析结果表明,SI中含dsrB基因的序列主要分布在δ-变形菌纲下的脱硫八叠球菌属(Desulfosarcina)、脱硫豆状菌属(Desulfofaba)、脱硫线菌属(Desulfonema)、脱硫球菌属(Desulfococcus)、脱硫豆菌属(Desulfotignum)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、脱硫微菌属(Desulfomicrobium)和脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)以及一些未鉴定的种属中;而SN中含dsrB基因序列主要位于δ-变形菌纲下的脱硫念珠菌属(Desulfomonile)、互营杆菌属(Syntrophobacter),以及一些未鉴定的种属中,SN中所出现的含dsrB基因序列微生物种属数量远远小于SI。可见,石宝寨消落带全淹土SI中dsrB和hgcA基因的丰度均较高,且显著高于未淹土SN中dsrB和hgcA基因的丰度(p0.001)。同时,T-RFLP分析dsrB基因微生物多样性也发现,石宝寨消落带全淹土SI具有最高的dsrB基因微生物多样性。因此,通过对汞甲基化能力最强的石宝寨消落带,落干期全淹土SI变成淹没期底泥SSe过程中微生物构成及hgcA、dsrB和mcrA基因量进行比较后发现,SI与SSe所具有较高的hgcA和dsrB丰度与其较高的MeHg浓度之间呈正相关性,这表明含hgcA、dsrB基因的微生物对消落带全淹土和底泥样品中的无机汞甲基化有一定的贡献。SI中含hgcA基因序列为δ-变形菌纲下地杆菌科细菌,以及广古菌门、甲烷微菌纲的古菌。SSe中含hgcA基因序列为δ-变形菌纲下的地杆菌科细菌、甲烷微菌纲古菌以及梭菌纲细菌。可见,落干期到淹没期的变化对SI与SSe中含hgcA基因微生物的组成有较大影响。主成分分析(PCA)可知,SO_4~(2-)、OM(有机质,organic matter)、Fe~(2+)和NH_4~+都是影响dsrB或hgcA群落结构的显著变量。结合三峡消落带土壤、底泥汞浓度及MeHg/THg比值远低于其他水生生态系统这一结果,我们猜测:三峡水库消落带土壤、底泥中存在的汞甲基化微生物可能是δ-变形菌纲下的地杆菌科、甲烷微菌纲和梭菌纲中汞甲基化能力较弱的一些细菌和古菌。而具体是哪些微生物在起作用,有待进一步研究来确定。通过对青藏高原纳木错,采用16S rRNA扩增子Illumina高通量测序,分析了湖心底泥和岸边土壤中的微生物群落丰度、多样性、群落组成差异,结果表明,厚壁菌门、梭菌纲的瘤胃菌科(Ruminococcaceae)很可能是纳木错底泥中与汞甲基化相关的微生物。然而,现有文献表明,梭菌纲的汞甲基化能力平均来看是最弱的,而且在纳木错底泥中也不是优势科属。因此,底泥的生物甲基化作用对鱼类体MeHg超累积的贡献不大,原因可能主要来自水体、周丛生物等的生物或非生物汞甲基化作用。采用q-PCR(hgcA、dsrB、mcrA、pmoA、细菌16S rRNA和古菌16S rRNA)与qRT-PCR(hgcA和dsrB)进一步验证,结果表明,纳木错湖心底泥中dsrB基因量较高,但hgcA基因的存在量和表达量都较低。这意味着纳木错湖心底泥中大部分SRB可能都不是汞甲基化微生物,不具备汞甲基化作用。通过对纳木错湖心底泥与岸边土壤中影响汞的生物地球化学因素对微生物组成的影响进行了db-RDA分析,结果表明,对纳木错湖心底泥和岸边土壤中的物种构成影响最大的环境因子是阳离子交换量(CEC),其次为有机质(OM)、pH值、MeHg、Fe~(2+)、THg浓度,盐基饱和度(BS)和NH_4~+浓度对菌群结构的影响最小。纳木错湖心底泥冷季的微生物群落组成与CEC、OM、pH、SO_4~(2-)和Fe~(2+)浓度是正相关,而湖心底泥冷季的微生物群落组成与BS、MeHg/THg比值、MeHg和NH_4~+浓度为负相关。岸边土壤和湖心底泥呈现出截然不同的相关性结果。综上研究表明,三峡水库消落带和青藏高原纳木错湖泊发现这两个水生生态系统的共性特征是:1)底泥中汞的微生物甲基化效率均不高,均低于国内外其他水生生态系统。2)这两个水生生态系统底泥中,均未发现现有已证明具有高汞甲基化能力的微生物,可预测的汞甲基化微生物均分布在能力较弱的纲中。这两个水生生态系统的不同之处在于:1)三峡水库消落带输入的汞多,但鱼体MeHg浓度低;而经过长距离传输输入到青藏高原纳木错的汞的量与三峡水库相当,但纳木错湖泊鱼汞具有超高MeHg浓度,这说明纳木错的甲基化效率要高。原因:我们的研究证明这种高的甲基化效率不主要来自底泥,因此,由于纳木错的高海拔、天然的厌氧强光照环境,推测其有可能来自水体、周丛生物等生境的高生物甲基化效率,或者是高效的非生物甲基化作用(光致甲基化作用)等。2)青藏高原纳木错湖心底泥的汞甲基化微生物可能来自于厚壁菌门、梭菌纲的瘤胃菌科(Ruminococcaceae);而三峡水库消落带底泥中具有汞甲基化能力的微生物可能来自于δ-变形菌纲下的地杆菌科,甲烷微菌纲和梭菌纲中汞甲基化能力较弱的一些细菌和古菌。本研究为人们了解大型水库和高原湖泊这两个水生生态系统,底泥中汞的微生物甲基化特征提供了基础数据,为理解水环境中汞的微生物甲基化作用机理提供了理论基础。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X524
【部分图文】：

化妆品、照明设备、补牙剂、电极等的掩埋处置或焚化处理的渗漏与排放，碱氯工业不当处理流出的废水，以及燃烧化石燃烧释放的气体，其中，尤以燃煤发电厂所排出的汞为最多(Fitzgerald et al. 1998; Mason et al. 1994; Schuster et al. 2002)。过去 150 多年中，人为源释放到大气中的汞，加剧了全球气候中的汞沉降和汞对表面水资源的污染，最终造成鱼体及动植物中汞浓度的升高(Morel et al. 1998)，从而让来自于水环境的鱼等水产品成为人类汞暴露的主要途径。自然源释放的汞形态主要有：Hg(0)、Hg(II)和 HgP。当不同形态的汞进入环境后，由于受到许多生物性与非生物性的影响，在不同的环境介质中将进行一连串复杂的生物地球化学反应(Lin et al. 2012)，具体包括：1）释放到空气中的 Hg(0)在 O3、Br-作用下氧化成 Hg(II)；2）进入到水体中的 Hg(II)在光照作用下可以还原为 Hg(0)，重新释放到空气中；3）进入到水体的 Hg(II)在光照或微生物作用下还可以发生甲基化反应生成 MeHg；4）水体、底泥和周丛生物中的 Hg(II)在微生物作用下，也可以生成 MeHg；5）水体、底泥和周丛生物中的 Hg(II)在微生物作用下还原为 Hg(0)；6）水体、底泥和周丛生物中的 MeHg，在微生物的作用下会发生去甲基化反应生成 Hg(II)或 Hg(0)；具体如图 1.1 所示。

或者是亲水性汞及其它汞化合物，如硫醇汞，经促进扩散穿过细胞外膜如图1.2 所示(Hsu-Kim et al. 2013)。关于 Hg(II)通过细胞内膜转运到 MeHg 的生化反应发生地细胞质，目前认为可能有四种途径：即基于 Mer 的转运系统（Mer-basedtransport system）、被动扩散（passive diffusion）、促进扩散（facilitated diffusion）和主动转运（active transport）（图 1.2）(杜红霞 et al. 2014; Hsu-Kim et al. 2013)。

用性模型假设小的、中性不带电荷的、可溶解汞硫配片来自(Hsu-Kim et al. 2013)。bility model postulates that only small, neutrally chargedken up by methylating microorganisms through passive d with permission from (Hsu-Kim et al. 2013).些研究表明，除了 Mer 抗汞操纵子体系和被动途径，比如说：促进扩散（Facilitated Diffusionlmann 2006)。所谓促进扩散，指的是不带电荷入到微生物细胞质的过程，也称为（Facilitated uptake）（图 1.2C）(Hsu-Kim et al. 2013; Schaefe被动扩散的相似之处在于它们都遵循浓度和电之处在于，促进扩散是指由膜蛋白促进的非亲、不带电荷的汞硫配合物在细胞膜上的运动模型菌株 G. sulfurreducens PCA 发现并于 201的存在显著提高了汞的甲基化效率，汞-半胱氨

本文编号：2869571