环境因素对甲基汞微生物降解的影响及其机理研究

Methylmercury (MeHg) is a potent neurotoxin produced by certain anaerobic microorganisms in natural environments. Microbial methylation and demethylation are two competing processes controlling the net production and bioaccumulation of MeHg in natural ecosystems. Although numerous studies have characterized the basis of mercury methylation, little attention has been given to MeHg degradation or demethylation by microorganisms. Building upon our recent discoveries of certain methanotrophs and iron-reducing bacteria capable of degrading MeHg, we propose to investigate complex environmental factors affecting the rates and mechanisms of MeHg degradation by Geobacter bemidjiensis Bem and Methylosinus trichosporium OB3b. In particular, we aim to: (1) determine the influences of two most widely distributed Hg-binding organic ligands, thiols (e.g., cysteine, glutathione) and naturally dissolved organic matter (DOM), on MeHg degradation, and (2) the syntrophic effects of demethylators and non-demethylators on MeHg degradation in natural ecosystems. Our findings are expected not only to improve our understanding of complex environmental matrixes affecting microbial MeHg degradation but also to provide scientific basis for developing effective remediation strategies to alleviate MeHg bioaccumulation and better management of Hg-contaminated sites.

甲基汞由环境中的汞在甲基化微生物作用下转化形成，因具有很强的神经毒性和生物积累效应而受到广泛关注。环境中的净甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解两个竞争过程决定的，但目前对汞的微生物去甲基化的研究仍非常有限。本项目以课题组前期报道的两类可降解甲基汞的微生物(厌氧菌Geobacter bemidjiensis和好氧菌Methylosinus trichosporium)为基础，研究环境因素对微生物降解甲基汞的影响。重点研究：(1)广泛存在且能与甲基汞形成强络合物的巯基配体(半胱氨酸和谷胱甘肽)和可溶解有机质(土壤腐殖酸)对甲基汞形态分布和微生物去甲基化的影响；(2)其它非去甲基化微生物共存时对去甲基化微生物降解甲基汞的影响。研究结果对认识近真实环境中可降解甲基汞微生物的作用，甲基汞降解机理以及环境中的甲基汞积累和循环都有重要的科学意义，课题的实施也将为环境中甲基汞污染的降解提供科学依据。

环境中的净甲基汞含量是由甲基汞的生成和降解两个对立的形态转化过程决定的。相对于汞甲基化的研究，目前对汞去甲基化的研究非常有限。因此，本课题以两类可降解甲基汞的微生物（厌氧菌Geobacter bemidjiensis Bem和好氧菌Methylosinus trichosporium OB3b）为代表，研究环境因素对微生物降解甲基汞的影响。研究结果对环境中的甲基汞积累和循环具有重要的科学意义，也将为环境中甲基汞污染的降解提供科学依据。. 铁还原菌G. bemidjiensis Bem能同时协助汞的甲基化和去甲基化两个对立过程。我们研究了环境因素包括自然环境中广泛存在的巯基小分子化合物（半胱氨酸和谷胱甘肽）和可溶解有机质（水体有机质和土壤腐殖酸）对该菌降解甲基汞的影响。结果表明，巯基化合物和可溶解有机质对该菌降解的影响与配体的浓度和反应时间相关。对于半胱氨酸，当浓度高于50 µM时，甲基汞的降解过程完全被抑制；与汞结合能力更强的谷胱甘肽，当其浓度高于0.1 µM时，甲基汞的降解过程受到了明显的抑制作用。对于水体有机质，当DOC浓度高于10 mg L-1时，降解过程几乎完全被抑制；对于土壤腐殖酸，浓度为2 mg L-1，土壤腐殖酸的抑制作用更强。这些结果可以由G. bemidjiensis Bem降解甲基汞过程中汞的形态分布来解释，当甲基汞与强络合物结合时，细胞无法吸收甲基汞，从而甲基汞的降解受到了抑制。. 甲烷氧化菌广泛分布于自然环境中，尤其在好氧-厌氧界面，这同时也是产生甲烷和甲基汞的常见场所。以M. trichosporium OB3b为代表，我们研究了环境因素包括共存金属铜离子、有机碳源甲醇对该菌降解甲基汞的影响。结果表明，铜离子（1 µM）的加入抑制了M. trichosporium OB3b对甲基汞的降解，这可能是由于铜离子影响了该菌编码胞外物铜的强螯合剂Methanobactin（MB）的生成，而MB在该菌降解甲基汞中起到非常关键的作用，它是该菌能否降解甲基汞的必要条件；竞争单碳(C1)底物甲醇的加入(> 5 mM)完全抑制了M. trichosporium OB3b对甲基汞的降解。这些实验结果表明甲醇脱氢酶(MeDH)连同MB共同参与该菌对甲基汞的降解：MB先将甲基汞强结合而后C-Hg键被MeDH断裂，从而甲基汞被转化为无机汞。