硫化汞纳米颗粒的微生物摄入及其在汞甲基化过程中的作用研究

Methylmercury (MeHg), due to its high bioaccumulative capability and toxicity, has been the focus of global mercury (Hg) contamination. Microbial methylation of mercury in anoxic zones is generally regarded as the dominant source of MeHg, and mercury methylation is governed by the different geochemical forms of inorganic mercury present in anoxic zones, in addition to bacterial activities. Mercury sulfide (HgS), primarily in the form of nanoparticles, is the dominant Hg species in anoxic zones. Despite sparse studies previously showing the potential involvement of HgS nanoparticles in mercury methylation, fundamental knowledge on this subject remains lacking, such as the mode of HgS nanoparticles uptake and the key parameters related to the kinetics of HgS nanoparticles dissolution and uptake. This knowledge gap hinders the accurate evaluation on the contribution of HgS nanoparticles to MeHg production. In this proposal, revolving around the central hypothesis of HgS nanoparticles being the key species in anaerobic mercury methylation, we aim to characterize the uptake process of HgS nanoparticles by Hg methylating bacteria, determined the key kinetic constants of HgS nanoparticles dissolution and uptake, elucidate the uptake mechanisms, and finally evaluate the contribution of HgS nanoparticles to MeHg production. We will use the bacteria-nanoparticle isolated culture model to conduct qualitative and quantitative studies on the bacterial uptake process of HgS nanoparticles, by employing an array of methods, including transmission electron microscopy, size exclusion chromatography (SEC)-inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and isotope tracer tracing techniques. This study will significantly further the understanding of the processes related to uptake of HgS nanoparticles by Hg methylators, transformation of HgS nanoparticles in the bacteria, and the role of HgS nanoparticles in Hg methylation, providing important implications on developing long-term strategies for controlling MeHg contamination.

甲基汞因其独特的食物链富集特性和毒性使汞成为重要的全球污染物。厌氧环境中微生物介导的汞甲基化是甲基汞生成最主要的来源，厌氧环境中不同汞地球化学形态控制着甲基汞的生成过程。然而对于实际厌氧环境中重要汞赋存形态的硫化汞纳米颗粒，由于一些基础科学问题的研究滞后（如摄入方式、溶解和摄入过程涉及的关键动力学参数），导致目前无法精确评估其对汞甲基化的影响。本项目针对硫化汞纳米颗粒对汞甲基化的贡献这一重要科学问题，采用纳米颗粒与细菌隔离培养模型、透射电子显微镜、尺寸排阻色谱-ICP-MS以及同位素示踪等手段对汞甲基化细菌摄入硫化汞纳米颗粒的过程进行定性和定量分析，同时探究硫化汞纳米颗粒摄入和溶解中涉及的动力学过程、摄入机制及对汞甲基化的影响。本研究可为进一步理解微生物的汞甲基化过程及控制甲基化过程中的关键因子提供独特的视角，为后续开发控制甲基汞污染的策略提供借鉴。

甲基汞因其独特的食物链富集特性和毒性使汞成为重要的全球污染物。厌氧环境中微生物介导的汞甲基化是甲基汞生成最主要的来源，厌氧环境中不同汞地球化学形态控制着甲基汞的生成过程。然而对于实际厌氧环境中重要汞赋存形态的硫化汞纳米颗粒，由于一些基础科学问题的研究滞后（如摄入方式、溶解和摄入过程涉及的关键动力学参数），导致目前无法精确评估其对汞甲基化的影响。本项目针对硫化汞纳米颗粒对汞甲基化的贡献这一重要科学问题，对汞甲基化细菌摄入硫化汞纳米颗粒的过程进行定性和定量分析，同时探究硫化汞纳米颗粒摄入和溶解中涉及的动力学过程、摄入机制及对汞甲基化的影响。按照研究内容，本项目构建与完善了2, 3-二巯基丙磺酸漂洗去除细胞膜吸附硫化汞纳米颗粒的方法，用于胞内摄入硫化汞纳米颗粒的精确定量；以汞甲基化微生物Geobacter sulfurreducens PCA为模型，通过总汞分析、尺寸排阻色谱（size exclusive chromatography, SEC）-电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）、结合细胞切片-透射电子显微镜-能量色散X射线谱等分析方法揭示了微生物对硫化汞纳米颗粒的直接摄入过程，分析了硫化汞纳米颗粒和Hg2+-dissolved organic matter（Hg2+-DOM）这两种环境中重要的汞赋存形态细胞摄入的差异，发现细菌对硫化汞纳米颗粒的摄入量远高于Hg2+-DOM对照组，最高摄入量可达总汞的41%；利用SEC-ICP-MS手段揭示了硫化汞纳米颗粒的胞内溶解过程对甲基汞产率的影响以及与Hg2+-DOM在汞甲基化效率的差异，发现细菌存在对硫化汞纳米颗粒的快速溶解过程，硫化汞纳米颗粒的汞甲基化效率在暴露前8个小时高于Hg2+-DOM对照组；通过构建hgcAB基因敲除突变株，发现硫化汞纳米颗粒的甲基化不受hgcAB基因的影响，揭示了非HgcAB蛋白介导的硫化汞纳米颗粒甲基化途径的存在。本研究可为进一步理解微生物的汞甲基化过程及控制甲基化过程中的关键因子提供独特的视角，为后续开发控制甲基汞污染的策略提供借鉴。