三峡库区消落带土壤微生物区系对汞甲基化响应的机理研究

Various soil microorganisms exist in environment and play a crucial role in the biogeochemical cycling of most heavy metals. The ecological diversity of soil microbial community decides the functional diversity of soil microflora. Reservoir is a typical mercury (Hg) sensitive ecosystem. Limited data about the relevance and mechanism of soil micro-ecosystem and mercury methylation were found in soil of hydro-fluctuation belt produced by season flooding and withdrawal of water in large reservoir. Three Gorges Reservoir is a representative large reservoir, and its periodic flooding undoubtedly influenced the structure of soil microflora, which further indirectly had an effect on the distribution and abundance of Hg methylated-microbes and the bio-methylation rate of Hg..Thus, according to the micro-ecological perspective of the interactions of soil- Hg - microbes, four representative research sites in the Three Gorges Reservoir Area will be employed and a series of experiments will be conducted by combination long-term experiment with laboratory simulation and the latest molecular biology techniques, with aiming to (1) to explore the environmental responses of microbial communities, molecular biological diversities, and functional microbial populations (or sensitive populations) to mercury bio-methylation; (2) to clarify the mechanisms of bio-methylation and bio-demethylation of mercury; and (3) to clear the release characteristics of methylmercury and corresponding environmental effects. It is expected that the results of this project will scientifically evaluate the mercury ecological risk problems after impoundment of the Three Gorges Reservoir Region.

土壤微生物种类繁多，它们在大多数重金属元素的生物地球化学循环中扮演至关重要的角色，土壤微生物群落的生态多样性决定了土壤微生态系统功能的多样性。水库属典型的汞敏感生态系统，但关于具周期性淹水-退水特点的大型水库的消落区土壤微生物区系与汞甲基化相关性及机制尚不清楚。三峡水库季节性蓄水的特点，无疑影响到消落区土壤微生物区系结构，并因此直接影响到汞甲基化微生物的分布、丰度和甲基化速率。本项目从土壤—Hg—微生物相互作用这一生态角度出发，选择库区四个代表性研究地点，通过原位与实验室模拟分析相结合、分子生物学技术与传统科学研究相结合的方法，对消落区土壤中产甲基汞的微生物种类、分子水平生物多样性和特殊功能微生物种群（敏感种群）等环境响应规律开展研究，以阐明三峡消落区土壤汞的生物甲基化机制，明确库区甲基汞的释放特征及环境效应。预期研究成果能为正确评价三峡水库蓄水运行后可能带来的汞生态风险问题提供科学依据。

甲基汞（MeHg）具有强神经毒性、亲脂性和高生物富集性特征。无机汞生物转化为甲基汞是汞进入食物链的关键过程，是生物地球化学循环的重点研究领域，国内外开展了大量研究，证实δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）如硫酸盐还原菌（SRB）等是厌氧环境的主要汞甲基化微生物。三峡水库运行后，土壤微生物群落结构的改变与汞生物甲基化是否关联？为此我们采用现场定位和室内模拟相结合的方法，研究了三峡水库消落区土壤微生物群落结构的时空动态变化规律和影响因素及其与甲基汞的相关性，消落带土壤汞甲基化微生物群落结构及丰度的动态变化规律，消落带土壤中具代表性汞甲基化细菌的分离纯化与生物学特性，以及消落带土壤中具代表性汞甲基化细菌的汞甲基化能力分析等研究。经过四年试验研究，完成了既定目标任务。.通过本研究，首先发现了三峡库区消落带土壤中的确存在好氧生物汞甲基化，且陆生好氧细菌汞甲基化代谢途径与水生厌氧菌完全不同！其次，获得了5株具汞甲基化能力菌株。.关键研究包括：（1）发现消落带土壤甲基汞含量与好氧可培养菌数相关：消落区10-20 cm土壤TCB与[MeHg]呈显著或极显著正相关关系。由此证明：三峡水库消落区土壤中存在某些对汞甲基化起主导作用的好氧微生物；（2）发现消落带土壤中SRB细菌数较低，且SRB菌数与MeHg生成无显著相关；（3）分离、纯化并鉴定了5株γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）汞生物甲基化菌株：P. putida TGRB1、P. fluorescens TGRB2、R. terrigena TGRB3、P. putida TGRB4和P. putida TGRB5。其中，TGRB1 和 TGRB4 为专性需氧恶臭假单胞菌，TGRB2 为微需氧荧光假单胞菌，TGRB3为广谱耐氧土生拉乌尔菌，TGRB5为兼性厌氧恶臭假单胞菌；（4）开展了细菌汞甲基化生物学特性研究，包括汞浓度、氧浓度、温度、酸碱度、接种量等，结果表明，与SRB相比，陆地生态系统中好氧菌的汞甲基化能力较低（相差一个数量级）。.本研究的科学意义在于：（1）发现好氧菌汞甲基化代谢途径与SRB等厌氧菌完全不同；（2）为后续汞生物甲基化研究提供了具自主知识产权的试验材料；（3）为进一步明确自然界甲基汞的释放特征及环境效应、深入研究汞生物地球化学循环提供理论依据。