汞(Mercury,Hg)已經(jīng)被列為一種全球污染物。自然界中,汞主要以無機(jī)單質(zhì)汞(Hg(0)、Hg~0)、二價汞(Hg(II)、Hg~(2+)),以及有機(jī)汞化合物,如單甲基汞(CH_3Hg~+、甲基汞、MeHg)和二甲基汞(DMHg)存在于環(huán)境中。甲基汞可以在水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中生物放大,致使魚等水產(chǎn)品中達(dá)到高濃度,從而對人類健康構(gòu)成威脅。研究表明,Hg(0)和Hg(II)都可以通過生物和非生物過程轉(zhuǎn)化為甲基汞。然而,當(dāng)前主流觀點(diǎn)認(rèn)為,甲基汞主要是由微生物,特別是存在于自然環(huán)境中的一群厭氧微生物作用生成。大量研究表明:硫酸鹽還原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB)、鐵還原菌(Iron reducing bacteria,IRB)、甲烷生成菌(Methanogens),以及發(fā)酵、乙酸和纖維素分解等厭氧微生物是主要的汞甲基化微生物。這些微生物的共同特征是具有決定汞甲基化作用有無的關(guān)鍵基因簇hgcAB。因此,研究環(huán)境中汞甲基化微生物對于正確認(rèn)識甲基汞的生成過程與人體暴露風(fēng)險(xiǎn)具有十分重要的意義。大量研究發(fā)現(xiàn),水生生態(tài)系統(tǒng)底泥是甲基汞的主要來源,因此,研究水生生態(tài)系統(tǒng)底泥的汞甲基化微生物組成具有十分重要的意義。本論文旨在以三峽水庫消落帶和青藏高原納木錯兩個典型的汞敏感型水生生態(tài)系統(tǒng)土壤、底泥為研究對象,分析三峽水庫消落帶與納木錯土壤、底泥與水體中THg、MeHg濃度,及MeHg/THg比值。同時,采用末端限制性片段多態(tài)性(T-RFLP)、克隆文庫、實(shí)時熒光定量PCR法(q-PCR、qRT-PCR)以及16S rRNA擴(kuò)增子高通量測序技術(shù),對三峽水庫消落帶和青藏高原納木錯底泥、土壤中與汞甲基化相關(guān)基因量及相關(guān)微生物組成、豐度與多樣性進(jìn)行分析,從而預(yù)測三峽水庫消落帶與納木錯底泥中可能存在的汞甲基化微生物。通過研究發(fā)現(xiàn),三峽水庫忠縣石寶寨(S)、涂井(T)和涪陵珍溪(Z)三處消落帶,全淹土、半淹土和未淹土之間MeHg/THg比值范圍在0.18%-2.81%,青藏高原納木錯湖心底泥和岸邊土壤中,MeHg/THg比值范圍在1.12%-2.46%,與三峽水庫消落帶的汞甲基化能力相當(dāng),但二者均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他水生生態(tài)系統(tǒng)。三峽水庫石寶寨消落帶落干期全淹土SI變成淹沒期底泥SSe之后,SSe的MeHg/THg比值(2.05%)也高于SI(1.76%),這證實(shí)了底泥具有更高的汞甲基化能力,與前人的結(jié)果相一致。然而,這也說明三峽水庫消落帶和納木錯底泥中汞的微生物甲基化能力均處于相對較低的水平。通過對三峽水庫忠縣石寶寨、涂井和涪陵珍溪三處消落帶全淹土、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濃度與dsrB基因存在量呈現(xiàn)正相關(guān)性,石寶寨和涂井消落帶土壤MeHg濃度與hgcA基因存在量呈現(xiàn)正相關(guān)性。并且,消落帶土壤中dsrB基因豐度顯著高于hgcA豐度(p0.001),這可能表明消落帶土壤中只有一小部分SRB是汞甲基化微生物,參與到汞的微生物甲基化過程當(dāng)中。通過對三峽水庫石寶寨消落帶的全淹土SI與未淹土SN中含dsrB基因的微生物的系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明,SI中含dsrB基因的序列主要分布在δ-變形菌綱下的脫硫八疊球菌屬(Desulfosarcina)、脫硫豆?fàn)罹鷮?Desulfofaba)、脫硫線菌屬(Desulfonema)、脫硫球菌屬(Desulfococcus)、脫硫豆菌屬(Desulfotignum)、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、脫硫微菌屬(Desulfomicrobium)和脫硫腸狀菌(Desulfotomaculum)以及一些未鑒定的種屬中;而SN中含dsrB基因序列主要位于δ-變形菌綱下的脫硫念珠菌屬(Desulfomonile)、互營桿菌屬(Syntrophobacter),以及一些未鑒定的種屬中,SN中所出現(xiàn)的含dsrB基因序列微生物種屬數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SI。可見,石寶寨消落帶全淹土SI中dsrB和hgcA基因的豐度均較高,且顯著高于未淹土SN中dsrB和hgcA基因的豐度(p0.001)。同時,T-RFLP分析dsrB基因微生物多樣性也發(fā)現(xiàn),石寶寨消落帶全淹土SI具有最高的dsrB基因微生物多樣性。因此,通過對汞甲基化能力最強(qiáng)的石寶寨消落帶,落干期全淹土SI變成淹沒期底泥SSe過程中微生物構(gòu)成及hgcA、dsrB和mcrA基因量進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),SI與SSe所具有較高的hgcA和dsrB豐度與其較高的MeHg濃度之間呈正相關(guān)性,這表明含hgcA、dsrB基因的微生物對消落帶全淹土和底泥樣品中的無機(jī)汞甲基化有一定的貢獻(xiàn)。SI中含hgcA基因序列為δ-變形菌綱下地桿菌科細(xì)菌,以及廣古菌門、甲烷微菌綱的古菌。SSe中含hgcA基因序列為δ-變形菌綱下的地桿菌科細(xì)菌、甲烷微菌綱古菌以及梭菌綱細(xì)菌�？梢�,落干期到淹沒期的變化對SI與SSe中含hgcA基因微生物的組成有較大影響。主成分分析(PCA)可知,SO_4~(2-)、OM(有機(jī)質(zhì),organic matter)、Fe~(2+)和NH_4~+都是影響dsrB或hgcA群落結(jié)構(gòu)的顯著變量。結(jié)合三峽消落帶土壤、底泥汞濃度及MeHg/THg比值遠(yuǎn)低于其他水生生態(tài)系統(tǒng)這一結(jié)果,我們猜測:三峽水庫消落帶土壤、底泥中存在的汞甲基化微生物可能是δ-變形菌綱下的地桿菌科、甲烷微菌綱和梭菌綱中汞甲基化能力較弱的一些細(xì)菌和古菌。而具體是哪些微生物在起作用,有待進(jìn)一步研究來確定。通過對青藏高原納木錯,采用16S rRNA擴(kuò)增子Illumina高通量測序,分析了湖心底泥和岸邊土壤中的微生物群落豐度、多樣性、群落組成差異,結(jié)果表明,厚壁菌門、梭菌綱的瘤胃菌科(Ruminococcaceae)很可能是納木錯底泥中與汞甲基化相關(guān)的微生物。然而,現(xiàn)有文獻(xiàn)表明,梭菌綱的汞甲基化能力平均來看是最弱的,而且在納木錯底泥中也不是優(yōu)勢科屬。因此,底泥的生物甲基化作用對魚類體MeHg超累積的貢獻(xiàn)不大,原因可能主要來自水體、周叢生物等的生物或非生物汞甲基化作用。采用q-PCR(hgcA、dsrB、mcrA、pmoA、細(xì)菌16S rRNA和古菌16S rRNA)與qRT-PCR(hgcA和dsrB)進(jìn)一步驗(yàn)證,結(jié)果表明,納木錯湖心底泥中dsrB基因量較高,但hgcA基因的存在量和表達(dá)量都較低。這意味著納木錯湖心底泥中大部分SRB可能都不是汞甲基化微生物,不具備汞甲基化作用。通過對納木錯湖心底泥與岸邊土壤中影響汞的生物地球化學(xué)因素對微生物組成的影響進(jìn)行了db-RDA分析,結(jié)果表明,對納木錯湖心底泥和岸邊土壤中的物種構(gòu)成影響最大的環(huán)境因子是陽離子交換量(CEC),其次為有機(jī)質(zhì)(OM)、pH值、MeHg、Fe~(2+)、THg濃度,鹽基飽和度(BS)和NH_4~+濃度對菌群結(jié)構(gòu)的影響最小。納木錯湖心底泥冷季的微生物群落組成與CEC、OM、pH、SO_4~(2-)和Fe~(2+)濃度是正相關(guān),而湖心底泥冷季的微生物群落組成與BS、MeHg/THg比值、MeHg和NH_4~+濃度為負(fù)相關(guān)。岸邊土壤和湖心底泥呈現(xiàn)出截然不同的相關(guān)性結(jié)果。綜上研究表明,三峽水庫消落帶和青藏高原納木錯湖泊發(fā)現(xiàn)這兩個水生生態(tài)系統(tǒng)的共性特征是:1)底泥中汞的微生物甲基化效率均不高,均低于國內(nèi)外其他水生生態(tài)系統(tǒng)。2)這兩個水生生態(tài)系統(tǒng)底泥中,均未發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有已證明具有高汞甲基化能力的微生物,可預(yù)測的汞甲基化微生物均分布在能力較弱的綱中。這兩個水生生態(tài)系統(tǒng)的不同之處在于:1)三峽水庫消落帶輸入的汞多,但魚體MeHg濃度低;而經(jīng)過長距離傳輸輸入到青藏高原納木錯的汞的量與三峽水庫相當(dāng),但納木錯湖泊魚汞具有超高M(jìn)eHg濃度,這說明納木錯的甲基化效率要高。原因:我們的研究證明這種高的甲基化效率不主要來自底泥,因此,由于納木錯的高海拔、天然的厭氧強(qiáng)光照環(huán)境,推測其有可能來自水體、周叢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)青藏高原納木錯湖心底泥的汞甲基化微生物可能來自于厚壁菌門、梭菌綱的瘤胃菌科(Ruminococcaceae);而三峽水庫消落帶底泥中具有汞甲基化能力的微生物可能來自于δ-變形菌綱下的地桿菌科,甲烷微菌綱和梭菌綱中汞甲基化能力較弱的一些細(xì)菌和古菌。本研究為人們了解大型水庫和高原湖泊這兩個水生生態(tài)系統(tǒng),底泥中汞的微生物甲基化特征提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為理解水環(huán)境中汞的微生物甲基化作用機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：X524
【部分圖文】：

化妝品、照明設(shè)備、補(bǔ)牙劑、電極等的掩埋處置或焚化處理的滲漏與排放，堿氯工業(yè)不當(dāng)處理流出的廢水，以及燃燒化石燃燒釋放的氣體，其中，尤以燃煤發(fā)電廠所排出的汞為最多(Fitzgerald et al. 1998; Mason et al. 1994; Schuster et al. 2002)。過去 150 多年中，人為源釋放到大氣中的汞，加劇了全球氣候中的汞沉降和汞對表面水資源的污染，最終造成魚體及動植物中汞濃度的升高(Morel et al. 1998)，從而讓來自于水環(huán)境的魚等水產(chǎn)品成為人類汞暴露的主要途徑。自然源釋放的汞形態(tài)主要有：Hg(0)、Hg(II)和 HgP。當(dāng)不同形態(tài)的汞進(jìn)入環(huán)境后，由于受到許多生物性與非生物性的影響，在不同的環(huán)境介質(zhì)中將進(jìn)行一連串復(fù)雜的生物地球化學(xué)反應(yīng)(Lin et al. 2012)，具體包括：1）釋放到空氣中的 Hg(0)在 O3、Br-作用下氧化成 Hg(II)；2）進(jìn)入到水體中的 Hg(II)在光照作用下可以還原為 Hg(0)，重新釋放到空氣中；3）進(jìn)入到水體的 Hg(II)在光照或微生物作用下還可以發(fā)生甲基化反應(yīng)生成 MeHg；4）水體、底泥和周叢生物中的 Hg(II)在微生物作用下，也可以生成 MeHg；5）水體、底泥和周叢生物中的 Hg(II)在微生物作用下還原為 Hg(0)；6）水體、底泥和周叢生物中的 MeHg，在微生物的作用下會發(fā)生去甲基化反應(yīng)生成 Hg(II)或 Hg(0)；具體如圖 1.1 所示。

或者是親水性汞及其它汞化合物，如硫醇汞，經(jīng)促進(jìn)擴(kuò)散穿過細(xì)胞外膜如圖1.2 所示(Hsu-Kim et al. 2013)。關(guān)于 Hg(II)通過細(xì)胞內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)到 MeHg 的生化反應(yīng)發(fā)生地細(xì)胞質(zhì)，目前認(rèn)為可能有四種途徑：即基于 Mer 的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（Mer-basedtransport system）、被動擴(kuò)散（passive diffusion）、促進(jìn)擴(kuò)散（facilitated diffusion）和主動轉(zhuǎn)運(yùn)（active transport）（圖 1.2）(杜紅霞 et al. 2014; Hsu-Kim et al. 2013)。

用性模型假設(shè)小的、中性不帶電荷的、可溶解汞硫配片來自(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 抗汞操縱子體系和被動途徑，比如說：促進(jìn)擴(kuò)散（Facilitated Diffusionlmann 2006)。所謂促進(jìn)擴(kuò)散，指的是不帶電荷入到微生物細(xì)胞質(zhì)的過程，也稱為（Facilitated uptake）（圖 1.2C）(Hsu-Kim et al. 2013; Schaefe被動擴(kuò)散的相似之處在于它們都遵循濃度和電之處在于，促進(jìn)擴(kuò)散是指由膜蛋白促進(jìn)的非親、不帶電荷的汞硫配合物在細(xì)胞膜上的運(yùn)動模型菌株 G. sulfurreducens PCA 發(fā)現(xiàn)并于 201的存在顯著提高了汞的甲基化效率，汞-半胱氨

本文編號：2869571