城市下水道系统中汞甲基化对硫酸盐负荷的钟形响应：对源头控制的意义

《Journal of Hazardous Materials》：Bell-shaped response of mercury methylation to sulfate loading in urban sewer systems: implications for source-level control

汞甲基化微生物在污水系统中的硫酸响应机制研究。通过生物反应器实验和基因组学分析发现，硫酸浓度（75-150 mg/L）对汞甲基化潜力产生显著非线性效应，低浓度抑制微生物生长，高浓度促进非甲基化硫还原菌增殖，最优甲基化效率出现在中浓度区间。该发现为硫酸调控法降低汞甲基化污染提供了理论依据。

　　

夏俊涛|李成|甄玉明|刘明|郭嘉华|姜峰

中国中山大学环境科学与工程学院，广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，广州510275

摘要

城市污水系统是甲基化汞（hgcA）微生物的滋生地，然而硫酸盐——这种在污水中普遍存在且含量变化的成分——如何驱动这一过程仍不清楚。在本研究中，我们结合了受控生物反应器实验、批量培养和基因组解析的宏基因组学方法，证明了汞的甲基化潜力对硫酸盐负荷呈非线性、钟形响应。在硫酸盐浓度为75–150 mg/L时，甲基化汞（MeHg）的产生速率达到峰值，比低硫酸盐浓度（6–30 mg/L）下的产量高出1.2–5.4倍。这种增强效应源于不同的微生物群落响应：在75 mg/L时，出现了一个系统发育多样性较高的hgcA群落，其中甲烷生成菌和发酵菌与硫酸盐还原菌（SRB）共同作用；而在150 mg/L时，以Desulfobulbus为代表的甲基化SRB占主导地位，表明存在功能分化。在此浓度范围之外，低硫酸盐（<30 mg/L）由于电子受体稀缺而抑制了大多数hgcA种群；而高硫酸盐（>300 mg/L）则有利于非甲基化SRB（如Desulfobacter postgatei）的生长，从而降低了整体甲基化潜力。重要的是，通过将我们的发现与已有的污水数据相结合，我们发现大多数生活污水中的硫酸盐浓度处于hgcA增殖的最佳范围内，这解释了它们在全球范围内的高丰度。我们的结果还强调了在源头进行干预的潜在可行性，例如使用无硫酸盐的混凝剂或限制富含硫酸盐的工业排放，以减少hgcA的增殖并降低城市水系统中甲基化汞的风险。

引言

汞污染仍然是一个紧迫的全球环境和公共卫生问题，因为微生物能够将无机汞转化为甲基汞（MeHg），这是一种强效的神经毒素[1] [2]。由于其高生物累积性，甲基汞通过水生食物网被放大数个数量级[3] [4]。因此，人类通过食用受污染的鱼类而暴露于甲基汞，可能导致儿童出现不可逆的神经损伤和发育障碍，估计每年造成的社会经济损失高达200亿美元[5] [6]。

城市污水系统越来越被认为是甲基化汞（hgcA）微生物的滋生地，这些微生物在污水生物膜中繁殖和积累[7]。这些微生物在污水中催化汞的甲基化过程，形成了甲基汞的隐藏来源。通过污水泄漏或合流制污水系统溢流（CSOs），污水中的甲基汞和hgcA微生物被释放到接收水体中，从而增加了下游的污染物负荷并提升了甲基汞的产量[8] [9] [10]。这一过程表明，不仅可以通过河流管理来减轻城市河流中的甲基汞污染，更重要的是，通过针对污水生态过程进行有效控制。

硫酸盐负荷已成为污水系统中微生物甲基化汞的关键驱动因素[7] [10]。硫酸盐浓度差异很大——内陆城市的浓度为40–200 mg/L，而受海水入侵影响的沿海地区则超过500 mg/L[11] [12]——这种变异性可能从根本上重塑hgcA群落。作为最终的电子受体，硫酸盐能够刺激硫酸盐还原菌（SRB）的活性，而SRB是污水中主要的甲基化汞微生物，从而增强甲基汞的产量[13] [14]。然而，SRB并不是唯一的hgcA携带者；甲烷生成菌、铁还原菌和发酵菌也携带这种基因，并且它们对硫酸盐负荷的生态响应可能与SRB不同，共同决定了污水生物膜的整体甲基化潜力。此外，SRB本身也是异质性的：甲基化和非甲基化谱系共存[15] [16]，特定的硫酸盐浓度可能选择性地富集某些谱系，使得硫酸盐负荷对甲基化的影响更加复杂。然而，大多数先前的研究仅在自然生态系统典型的较窄范围内探讨了硫酸盐的影响[14] [17]，因此尚不清楚污水系统中更广泛的硫酸盐变异性如何影响hgcA群落和甲基化潜力，以及这种影响是单调的还是非线性的。

重要的是，污水中的硫酸盐也可以作为控制污水生物膜甲基化潜力的实际目标。与其他难以调节的水质参数不同，可以通过更换饮用水处理中的硫酸盐基混凝剂、限制富含硫的工业排放以及优化污水系统运行等措施来降低硫酸盐浓度[18] [19]。建立硫酸盐负荷与甲基化潜力之间的剂量-反应关系将进一步有助于评估将硫酸盐作为可控因素来减轻污水系统中甲基汞生产风险的工程可行性。

为了填补这些空白，本研究探讨了硫酸盐负荷如何影响污水生物膜中的甲基化汞群落及其甲基化潜力。我们结合了受控生物反应器实验、批量培养和基因组解析的宏基因组学方法，揭示了关键的甲基化微生物类群、它们的代谢策略和生态动态。通过建立剂量-反应关系，并将其与已报道的污水硫酸盐浓度相结合，我们进一步评估了针对硫酸盐的干预措施在减少城市水系统中甲基化汞风险方面的工程可行性。

实验部分

构建了一个实验室规模的污水生物反应器（2升；高度300毫米；直径90毫米），以模拟代表城市污水系统的硫酸盐浓度下hgcA群落的演替（图S1）。该生物反应器配备了可拆卸的填充材料，以促进生物膜的形成，并允许在不同成熟阶段进行采样。此外，生物反应器采用连续进流-出流模式运行，新鲜进水不断被泵入反应器中

硫酸盐负荷塑造了甲基化汞潜力的钟形模式

为了评估硫酸盐负荷的影响，六个实验室规模的污水生物反应器在硫酸盐浓度分别为6、30、75、150和600 mg/L的条件下运行（S6–S600）。在不同硫酸盐负荷下，生物膜中的甲基化汞产生速率表现出明显的非线性、钟形响应（图1）。在低硫酸盐条件下（S6和S30），甲基化汞产生速率始终较低，整个实验期间低于4%/天。这种抑制可能是由于

讨论

本研究表明，污水生物膜中的甲基化汞潜力对硫酸盐负荷呈现出明显的钟形响应，为理解污水驱动的甲基汞产生的生态过程和管理提供了新的见解。尽管传统上认为硫酸盐通过激活SRB来促进甲基化[49]，但我们的结果揭示这种效应既不是线性的，也不完全依赖于SRB。在75 mg/L时，甲基化汞的产生速率达到峰值，并与一个系统发育多样性较高的群落相关

结论

本研究表明，污水生物膜中的硫酸盐负荷与甲基化汞潜力之间存在非线性的钟形关系，甲基化汞的产生速率在75–150 mg/L的中等浓度下达到峰值。这些模式是由硫酸盐负荷引起的hgcA群落的变化所驱动的：低硫酸盐限制了它们的生长，中等硫酸盐支持了多样化和合作的群落（75 mg/L），而高硫酸盐则有利于非甲基化SRB的生长，抑制了甲基化过程。

环境影响

本研究表明，污水生物膜是汞甲基化的关键热点，并揭示了甲基化汞活性对硫酸盐负荷的钟形响应。通过确定促进或抑制甲基化汞产生的硫酸盐阈值，我们的结果表明，在考虑基线硫酸盐水平的情况下，源头级别的硫酸盐控制有可能减少城市河流中的甲基汞污染。重要的是，部分硫酸盐还原可能无效甚至适得其反

作者贡献声明

夏俊涛：撰写初稿、软件开发、方法论设计、实验研究、概念构建。李成：方法论设计、数据分析。甄玉明：方法论设计、实验研究。刘明：数据分析。郭嘉华：数据分析。姜峰：撰写、审稿与编辑、验证、监督、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金杰出青年科学基金（项目编号52425001）和国家自然科学基金（项目编号U23A2049）对本研究的支持。我们还要感谢香港城市大学的袁志国教授在实验设计方面提供的宝贵指导。

利益冲突声明

作者声明没有其他财务利益冲突。