三峡水库消落带典型植物根际微域汞的转化及其作用机制

Large areas of the water-level-fluctuating zone (WLFZ) of the Three Gorges Reservoir (TGR) grow dense herbaceous vegetation from every April to September due to the abundance of rain and heat. Our previous research found that low molecular organic acids, microbial activities, active mercury (Hg), and methyl Hg in the soil of vegetation growing areas were significantly higher than those in the bare soil of the WLFZ. It is predicted that rhizosphere is the essential region for Hg transformation in the soil of the WLFZ. The reason perhaps was that the rhizosphere had different physical, chemical and biological properties, which might affect the distribution, transformation and bioavailability of heavy metals. However, the transformation mechanism of Hg in the plant rhizosphere are not clear. Therefore, the objective of this program is to investigate the transformation rule, methylation and demethylation mechanisms of Hg in the rhizosphere of three typical plants growing in the WLFZ of the TGR. The three species of plant selected in this program have the dominant growing areas in the WLFZ. Field location and indoor simulation studies are combined, and Hg isotope tracer technology is used. We hope our research can provide theoretical basis for deep understanding the biogeochemical cycle and ecological risk of Hg in the TGR region.

三峡水库消落带在每年4-9月的出露期，由于雨热充沛，大片区域会生长出茂密的草本植被。前期的研究显示，消落带植物生长区域土壤的低分子有机酸类物质含量、微生物活性明显高于未生长的裸地，相应的土壤活性汞、甲基汞含量也要高于裸地。可以判断，由于植物生长区根系微域环境具有与土体不一样的物理、化学和生物性质，会影响到重金属在根际中的分布、迁移转化及生物有效性，因而是消落带土壤汞转化的关键区域。但目前对汞在植物根际环境中的形态转化特征及其作用机制尚不明晰。为此，本申请选择三峡水库消落带分布面积大的三种优势植物生长区域为研究对象，采用现场定位研究与室内模拟研究相结合的方法，利用汞同位素示踪技术，探索三峡水库消落带典型植物根际微域土壤汞的形态转化规律、甲基化与去甲基化及其作用机制，旨在为深入了解三峡库区汞的生物地球化学循环及其生态风险提供研究基础。

三峡库区消落带在出露期会生长出茂密的植被。前期的研究发现，消落带生长植物的表层土壤总汞含量、土壤低分子有机酸类物质含量、微生物活性也明显高于裸地，相应的土壤活性汞、甲基汞含量要高于裸地。由此我们推测，植物生长对汞的富集，导致其生长区土壤总汞含量升高，植物根系分泌物能增强土壤中汞的生物有效性，同时，也能促进土壤甲基汞的生成，而根系微域环境是土壤汞转化的关键区域。为此，本项目以消落带植物根际微域环境为研究对象，以消落带典型植物根际微域土壤理化性质与微生物区系动态变化特征、典型植物根际微域土壤汞形态变化特征及其相关分析、植物根际微域环境汞转化的作用机制为主要研究内容。经过四年的研究，完成了既定目标任务。结果发现，植物根际与非根际土壤有机质、SO42-、活性铁、活性锰等理化性质有明显差异，整体趋势为根际＞近根际＞非根际，土壤有机质、Mn2+、SO42-能够促进土壤汞甲基化过程；根际土壤TCB明显高于非根际土壤，且TCB含量与根际土壤中的甲基汞呈显著正相关，与非根际土壤（264.48 ± 30.65）相比，根际土壤和近根际土壤的hgcA OTU的丰度（分别为424.96 ± 27.92和426.50 ± 10.85）更高；来源于根系的低分子量有机酸具有促进汞甲基化的潜力，低分子量有机酸提供的质子和有机配体可增强了土壤汞的生物有效性，同时充足的碳源促进了汞甲基化微生物的活性，而提高了甲基汞的产生量；植物根际土壤具有显著高于非根际环境（无植被区）的甲基汞净积累量，是一个汞甲基化的热点微区；植物可以通过分泌或分解产生低分子量有机酸来促进土壤（沉积物）汞的甲基化，影响甲基汞在沉积物中的迁移和分配，但消落带植物的存在可以通过增强土壤（沉积物）有机质环境提高对甲基汞截留，并且抑制其向上覆水的释放。研究成果可为深入了解三峡库区汞的生物地球化学循环及其生态风险提供研究基础。