基于同步辐射XAFS技术研究水稻体内甲基汞的赋存特征

Previous studies have elucidated that the serious methylmercury (MeHg) contamination of rice seed (edible part) is a common phenomenon in mercury (Hg) mining area of China. The rice consumption could be the main pathway of MeHg exposure to local resident whereby posing a health risk. The toxic properties of MeHg are critically dependant on molecular form; the chemical form and binding mode are the key factors which influence the transport property and distribution of MeHg in biota. Therefore, knowing the total concentration of MeHg may not be sufficient for the understanding of its bioavailability, metabolism, and toxicity; instead, chemical form and binding mode analysis of MeHg in rice plants are needed. In the current study, results from Hg X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy of rice plants from indoor pot experiments, coupled with determinations of there MeHg, protein, and fat contents (as well as the MeHg contents in protein and fat), investigate the chemical forms, binding mode, and transport property of MeHg in rice plant. The current study will 1) become a great breakthrough in the mechanism of MeHg absorption, transport, and accumulation in rice plant at molecular level; 2) supply the new theory foundation for understanding the interaction between Hg and plant in the supergene environment.

我国汞矿区稻米富含甲基汞是一个普遍现象，当地居民食用稻米导致的甲基汞暴露风险不容忽视。甲基汞的毒性特征与其化学结构密切相关，同时，甲基汞的化学形态及结合方式是影响其运移行为的关键因素。因此，仅测定水稻体内甲基汞含量，无法全面理解其新陈代谢、生物有效性及毒性特征。本项目采用室内盆栽试验，基于同步辐射XAFS技术揭示水稻体内甲基汞的化学形态；同时采用传统分析方法，对水稻各部位甲基汞、蛋白质和脂肪（其中包括蛋白质和脂肪中的甲基汞）含量、分布特征及相互关系进行系统分析，结合XAFS分析结果判别水稻体内甲基汞的结合方式，最终阐明甲基汞在水稻体内的运移行为。通过对以上问题的深入研究，有望在分子水平上对水稻吸收、运移及富集甲基汞机理取得重大突破，为表生环境中汞与植物间相互作用机制认识提供重要的理论依据。

系统采集成熟期水稻植株，通过分析水稻各部位（根、茎、叶、精米、米皮、米壳）甲基汞含量，研究甲基汞在水稻不同部位的分布特征及水稻不同部位对甲基汞的累积效率。结果表明，相对于水稻根、茎、叶等部位，稻米（糙米）具有最强的甲基汞富集能力。稻米中的无机汞主要储存在米壳和米糠中；但是具有高神经毒性的甲基汞则主要位于精米中。因此，在碾米过程中，大量的无机汞（约78%）会随着米壳和米糠的去除而被去除；然而，大多数甲基汞则仍然保留在精米中（约80%）。基于同步辐射X射线荧光微区谱学成像技术（Synchrotron radiation X-ray fluorescence micro-spectroscopy，SR-μXRF），对稻米（糙米）中汞的空间分布特征进行了系统性研究。实验表明，相对于胚乳（Endosperm），汞（主要为无机汞）强烈富集在糙米表层—对应为果皮（Pericarp）和糊粉层（Aleurone）。同时利用同步辐射X射线吸收精细结构技术（X-ray absorption fine structure, XAFS）技术结合主元分析方法(Principal Component Analysis, PCA)，对稻米中汞的化学形态及汞在水稻体内的结合方式进行了系统性研究。本研究推测稻米中的无机汞主要是与半胱氨酸（Cysteine）结合，并以植物螯合肽（Phytochelatins）的形式存在。因此，这部分无机汞被稻米吸收后很难发生运移，致使其主要富集在糙米表层。同样，稻米中的甲基汞也主要与半胱氨酸结合，但与无机汞不同的是，与半胱氨酸结合的甲基汞主要赋存于蛋白质中，且在水稻生长期间这部分甲基汞会随蛋白质一起发生明显的运移，最终被储存在精米中。该研究在分子水平上，为水稻吸收、运移、富集甲基汞机理认识提供了支撑，为表生环境中汞与植物间相互作用机制认识提供了重要的理论依据。