纳木错汞生物链富集及汞甲基化关键基因hgcAB研究

Mercury (Hg) is a widely spread pollutant. Elevated concentration of methylmercury (MeHg) in fish is a global concern due to its deleterious effects on human health. Therefore, it is very important to research on the microbial methylation of Hg in natural environment. Nam Co Lake, locates in the Tibetan Plateau, is considered as a remote and "pristine" lake exposed to Hg mostly through atmospheric deposition. Previous studies have reported low level of total Hg (THg) in its water and sediment, but high levels of MeHg accumulated in the fish, much higher than the reference values of accumulated MeHg in the fish of polluted water system. So far, however, few research has been carried out on the microbial methylation of Hg in Nam Co Lake to reveal its reasons. Motivated by this, we plan to: 1) analyze the abundance and diversity of hgcAB genes in the water, sediments, soils and phytoplankton by q-PCR, RT-PCR, metagenomics, and transcriptomics. 2) understand its relationship with the levels of THg, MeHg, and some biogeochemical factors such as SO42-, NH4+, OM, and pH. 3) investigate the correspondence between the composition of resident (DNA) and active (RNA) bacterial communities with hgcAB genes. The proposed research aims to investigate microbial methylation of natural water environment of high altitude and without direct pollution of Hg. We believe this research will offer significant scientific basis for a better assessment on Hg methylation in water ecosystems of high altitude.

汞是一种全球性污染物，虽然所有价态汞皆具毒性，但是相较于无机汞而言，有机汞毒性更高，特别是甲基汞。汞的甲基化主要是生物甲基化作用，因此对自然环境中汞的微生物甲基化机制研究具有十分重要的意义。位于我国青藏高原的纳木错是远离汞人为源污染的高原湖泊生态系统。研究发现纳木错鱼体中富集的甲基汞显著高于污染水域，说明纳木错甲基汞生物链富集能力强，甲基化效率高。然而，该生态系统中汞的微生物甲基化机制尚未得知。因此，本研究拟运用q-PCR、反转录PCR、宏基因组学/宏转录组学高通量测序技术，研究纳木错湖水、底泥、岸边土壤和浮游植物中hgcAB基因的丰度、多样性、hgcAB基因存在量和表达量的差异，及其与环境中富集的总汞、甲基汞浓度相关性，探讨高海拔且未受直接污染的天然水环境中汞的微生物甲基化作用，对于正确认识高原湖泊中汞的微生物甲基化作用机理具有重要的理论和现实意义。

汞（Mercury, Hg）已经被列为一种全球污染物。甲基汞主要是由微生物，特别是存在于自然环境中的一群具有决定汞甲基化作用有无的关键基因簇hgcAB的厌氧微生物作用生成。因此，研究环境中汞甲基化微生物对于正确认识甲基汞的生成过程与人体暴露风险具有十分重要的意义。.本项目旨在以青藏高原纳木错为研究对象，分析纳木错土壤、底泥与水体中THg、MeHg浓度，及MeHg/THg比值。同时，采用实时荧光定量PCR法（q-PCR、qRT-PCR）以及16S rRNA扩增子高通量测序技术，对土壤、底泥中与汞甲基化相关基因量及相关微生物组成、丰度与多样性进行分析，从而预测纳木错底泥中可能存在的汞甲基化微生物。.结果表明，厚壁菌门、梭菌纲的瘤胃菌科（Ruminococcaceae）很可能是纳木错底泥中与汞甲基化相关的微生物。然而，现有文献表明，梭菌纲的汞甲基化能力平均来看是最弱的，而且在纳木错底泥中也不是优势科属。因此，底泥的生物甲基化作用对鱼类体MeHg超累积的贡献不大，原因可能主要来自水体、周丛生物等的生物或非生物汞甲基化作用。采用q-PCR（hgcA、dsrB、mcrA、pmoA、细菌16S rRNA和古菌16S rRNA）与qRT-PCR（hgcA和dsrB）进一步验证，结果表明，纳木错湖心底泥中dsrB基因量较高，但hgcA基因的存在量和表达量都较低。这意味着纳木错湖心底泥中大部分SRB可能都不是汞甲基化微生物，不具备汞甲基化作用。通过对纳木错湖心底泥与岸边土壤中影响汞的生物地球化学因素对微生物组成的影响进行了db-RDA分析，结果表明，对纳木错湖心底泥和岸边土壤中的物种构成影响最大的环境因子是阳离子交换量（CEC），其次为有机质（OM）、pH值、MeHg、Fe2+、THg浓度，盐基饱和度（BS）和NH4+浓度对菌群结构的影响最小。纳木错湖心底泥冷季的微生物群落组成与CEC、OM、pH、SO42-和Fe2+浓度是正相关，而湖心底泥冷季的微生物群落组成与BS、MeHg/THg比值、MeHg和NH4+浓度为负相关。岸边土壤和湖心底泥呈现出截然不同的相关性结果。