水稻田土壤微生物对汞的甲基化过程及机理

The rice paddy soil and pore water from typical Hg mining sites and artisanal Hg mining sites in Wanshan Hg mining area, and a control site (Huaxi) were collected in rice-growing season. The soil physical and chemical properties and mercury species and distributions were studied to figure out the key factors influencing Hg methylation in rice paddy. The microbial communities and their transcriptomic level were investigated by metagenomic and metatranscriptomic approach respectively. In order to understand which microorganisms dominate in mercury methylation, mercury reduction, and methymercury degradation, the corresponding genes (hgcA, merA, merB) were studied with high-throughput sequencing method, combining with the incubation of flooded soil microcosms with special microbial stimulators/inhibitors, and stable mercury isotopes. The aim of this study is to reveal the process and mechanism of Hg methylation by microorganisms in rice paddy soils, which is helpful to control Hg pollution and reduce the risk of MeHg exposure.

以贵州万山典型的废弃汞矿区、土法炼汞区和背景区贵阳花溪为研究对象，研究受不同程度汞和甲基汞污染的水稻田土壤和孔隙水剖面的理化性质、汞形态和甲基汞分布，运用统计学相关分析，弄清影响水稻田土壤汞甲基化的关键因素；分别利用宏基因组学和宏转录组学手段，研究水稻田土壤微生物群落结构以及微生物转录水平；通过检测汞甲基化基因hgcA和抗汞操纵子mer，结合实验室添加特定微生物促进/抑制剂的培养手段和汞稳定同位素示踪技术，弄清引起汞甲基化、汞还原和甲基汞降解的主要微生物类群。通过本研究最终弄清稻田土壤微生物对汞的甲基化过程及机理，为我国治理环境汞污染和有效控制人群甲基汞暴露提供理论基础和技术手段。

稻米是世界上最主要的粮食作物之一。近几年研究表明，食用汞污染的大米是世界主要水稻种植区甲基汞暴露的主要途径。因此，稻田土壤中汞的甲基化受到了各国人民的广泛关注。稻田土壤中汞的甲基化主要是微生物引起的，因此微生物在控制甲基汞生成方面具有至关重要的作用。前人研究表明稻田土中引起汞甲基化的微生物种类很多。然而，对于不同污染类型和污染程度的稻田土中主要有哪些微生物引起甲基化，哪些微生物引起甲基汞去甲基化等，我们目前知之甚少。本项目选择我国贵州铜仁万山典型的废弃汞矿区和土法炼汞区以及贵阳花溪背景区等代表不同汞污染类型，不同汞污染程度的稻田，采集水稻生长时期稻田表层土和根际土进行实验室培养实验，利用稳定汞同位素示踪技术测定汞甲基化和去甲基化速率。我们的实验结果首次表明不同汞污染类型的稻田土壤中汞的甲基化微生物存在明显差异。硫酸盐还原菌是背景区稻田土壤中主要的汞甲基化微生物；然而汞矿区（包括废弃汞矿区和土法炼汞区）稻田土中主要的甲基化微生物是产甲烷菌。此外，我们除了发现产甲烷菌是汞矿区的主要甲基化微生物外，也是本研究所有3个不同稻田中的去引起甲基汞去甲基化的主要微生物类群。本项目研究结果揭示的不同稻田土中的汞甲基化和去甲基化与不同微生物类群之间的关系，为我们更好的了解稻米甲基汞来源以及汞微生物修复提供理论依据。