基于hgcAB同源基因探针研究大九湖湿地汞微生物甲基化作用机制

Wetland is a mercury-sensitive ecosystem. Mercury (Hg) that enters into wetland via atmospheric deposition is easily methylated to methylmercury (MeHg) which is more toxic. MeHg could be accumulated in biota at trophic level through food chain, threatening the stability and biodiversity of ecosystem. However, the mechanism of Hg methylation in the wetland where Hg is mainly from atmospheric deposition is still unclear. This project will focus on the mechanism of Hg methylated by microbes in a typical peatland—Dajiu lake. To begin with, the hgcAB orthologues probe and metagenomics methods will be applied to investigate methylating microbial communities and features. Besides, the techniques of microculture in lab and Hg stable isotope tracer will be used to identify the key microbes mediating Hg methylation. Moreover, both field studies and lab tests will be designed to investigate geochemical forms of Hg, Hg availability for microorganisms, and impact environmental factors. Finally, the process and mechanism of Hg methylation in Dajiuhu wetland will be clarified. This project will be fundamental for reaching an overview of the biogeochemical cycle of Hg, and providing a basis of how to control MeHg production, to reduce the hazard, and to protect water sources and the ecosystem.

湿地是一类汞敏感性生态系统。经大气沉降进入湿地的汞更易甲基化产生毒性更高的甲基汞，经食物链富集在高营养级生物，威胁生态系统的稳定性和生物多样性。然而，大气沉降汞源为主的湿地中汞甲基化机理尚未明确。本项目以典型雨养型湿地——大九湖为研究对象，利用hgcAB同源基因探针结合宏基因组学手段，弄清沉积物中甲基化微生物群落特征；采用微生物培养和汞稳定同位素示踪技术，判别介导汞甲基化的关键微生物类群；结合野外和室内模拟试验研究汞的地球化学形态、微生物可利用性及影响因素，明确影响湿地沉积物汞甲基化的主要因子。通过本研究，最终弄清以大气汞源为主的大九湖湿地中汞微生物甲基化过程及机理，为全面认识汞的生物地球化学循环提供研究基础，并为有效控制湿地甲基汞的产生，减少汞危害，保护水源地和生态系统提供理论依据。

湿地是一类汞敏感性生态系统。经大气沉降进入湿地的汞更易甲基化产生毒性更高的甲基汞，经食物链富集在高营养级生物，威胁生态系统的稳定性和生物多样性。然而，大气沉降汞源为主的湿地中汞甲基化机理尚未明确。典型雨养型湿地——大九湖泥炭藓沼泽具有独特的偏酸性，高有机质，高硫生境以及以大气沉降为主的汞源特征，非常利于汞的甲基化。本研究主要通过分析2016-2020年大九湖泥炭藓湿地中泥炭土、孔隙水、雨水、地表径流中总汞和甲基汞的含量及其中微生物群落特征，通过野外及室内培养实验，研究以大气汞源为主的大九湖湿地中汞微生物甲基化过程及机理，旨在为全面认识汞的生物地球化学循环提供研究基础。本研究表明，泥炭土中总汞及甲基汞雨季高于旱季。地球化学模型估算表明，大九湖湿地中的汞及甲基汞含量受到气候及微生物净甲基化率共同影响。基于门类水平分析表明，细菌的平均丰度由大到小依次为：变形菌门（23.1-61.7%）> 酸杆菌门（10.4-40.4%）> 疣微菌门（1.5-12.4%）> 其他（4.1-11.5%）。古菌的平均丰度由大到小为：深古菌门（8.5–37.9%）> 奇古菌门（3.4-51.2%）> 广古菌门（3.1–11.8%）。其中占据主导的汞甲基化菌群为铁还原菌（44.1%）和产甲烷菌（16.57%），而硫酸盐还原菌（5.72%）的平均相对丰度较低。铁还原菌在泥炭土汞甲基化过程中起到关键作用，并且随着甲基汞浓度升高，主导汞甲基化的菌群由铁还原菌转变为铁还原菌和产甲烷菌共同主导。C/N比值和Eh值为影响汞甲基化微生物群落组构的关键环境因子。汞-有机质络合形态和硫化物结合态是影响汞甲基化的关键形态。这一研究，为有效控制泥炭湿地汞的迁移与转化，减少汞污染风险，保护水源地提供理论依据。