碳和氮介导的反硝化作用调节了湖泊沉积物中汞的甲基化过程

《Process Safety and Environmental Protection》：Carbon and Nitrogen mediated denitrification modulates the methylation process of mercury in lake sediments

汞甲基化在玄武湖沉积物中受碳氮循环调控，TOC、TN和NH4+与甲基汞浓度正相关，而NO3-呈负相关。实验表明碳源（葡萄糖）促进反硝化与汞甲基化，氮源（硝酸钠）抑制该过程，揭示了碳氮互作对汞甲基化的微生物机制。

　　

朱东东|周莉|赖秋英|龚子瑜|王艳|杭晓帅

中国生态环境部南京环境科学研究院，南京，210042

摘要

甲基汞（MeHg）的积累对生态系统和人类健康都构成威胁。已有研究表明，沉积物中汞（Hg）的甲基化过程受到微生物活动的促进，并且这一过程受到碳（C）和氮（N）循环的影响，尽管具体机制尚未完全明了。本研究调查了碳和氮对宣武湖沉积物中汞甲基化的作用。研究结果发现，水体和沉积物中汞和甲基汞的浓度存在显著的空间差异。沉积物中的总有机碳（TOC）、总氮（TN）和氨氮（NH₄⁺-N）与甲基汞呈正相关，而硝酸盐氮（NO₃^--N）则呈负相关（p≤0.05）。在厌氧培养实验中，添加碳（以葡萄糖的形式）显著增强了反硝化和汞甲基化作用，使得甲基汞浓度（2.01 μg/kg）和甲基化率（1.00%）达到最高水平，同时细菌门类Firmicutes和Clostridium sensu stricto等属的数量也有所增加。相反，引入氮（硝酸钠）会抑制这一过程，甲基汞浓度降至0.77 μg/kg，甲基化率降至0.34%。研究表明，高浓度的碳可以加速汞的甲基化，而高浓度的氮则会抑制甲基化过程，其背后的机制与碳和氮在反硝化过程中的相互作用以及相关的微生物群落有关。本研究揭示了碳和氮对沉积物中汞甲基化的影响，为富营养化湖泊中汞污染的生态修复工程提供了借鉴。

引言

汞（Hg）是一种高度危险的微量重金属，已被世界卫生组织（WHO）、联合国环境规划署（UNEP）和欧洲环境署（EEA）等机构认定为关键污染物，因此需要对其进行密切监测（Zhu等人，2023年）。其有机形式之一甲基汞（MeHg）尤其令人担忧，因为它在食物链中大量积累且毒性极高，对生态系统和人类健康构成威胁（Barone等人，2021年）。沉积物在汞的生物地球化学循环中起着关键作用，既是汞的来源也是其汇（Xu等人，2021年）。此外，氧化还原条件的变化和微生物多样性的差异会增强沉积物中汞的甲基化过程，从而加剧水体的汞污染（Rincón-Tomás等人，2024年）。

沉积物中汞的甲基化过程与其中碳和氮的含量和形式密切相关（Wang等人，2024年；Li等人，2023年）。湖泊中的沉积物既是碳的来源也是其汇（Meng等人，2024年；Tranvik等人，2018年）。碳化合物作为电子供体，增强了甲基化汞的微生物的能量和还原能力，包括硫酸盐还原菌（SRB）和铁还原菌（FeRB），从而促进它们的生长和活动，进而促进汞的甲基化（Wang，2025年；Lei等人，2023年）。在富含有机物的沉积物中，SRB通过厌氧呼吸代谢有机碳，将无机汞转化为甲基汞（Morris，2016年）。溶解有机碳（DOC）含有多种官能团，如–CH₂，这些官能团会与Hg(II)形成复合物，阻碍其向微生物细胞的迁移并阻碍甲基化过程（Jiang等人，2018年；Olof和Carl，2019年；Mazrui等人，2016年）。此外，DOC中的醌类官能团可以影响汞的氧化还原反应，使Hg(II)还原为元素汞（Hg(0)）（Shen等人，2023年）。

氮循环包括多种过程，如硝化、反硝化、厌氧铵氧化以及硝酸盐还原为氨（Fenice，2021年）。在缺氧环境中，硝酸盐的还原潜力远大于硫酸盐和铁，因此微生物更倾向于使用硝酸盐作为电子受体。这种偏好会抑制厌氧甲基化细菌的代谢功能，从而降低汞的甲基化程度（Fuhrmann等人，2021年）。此外，硝酸盐氮（NO₃^--N）会与甲基化微生物（如SRB）竞争必需的碳和电子，导致这些微生物的能量供应受限，进而影响其生长并改变微生物群落结构，最终降低汞的甲基化程度（Austin等人，2016年）。相反，反硝化过程将NO₃^--N转化为亚硝酸盐（NO₂^-）或氮气（N₂），为甲基化微生物创造有利条件，间接促进汞向甲基汞的转化（Stein和Klotz，2016年）。亚硝酸盐还原过程中产生的氮氧化物自由基可以将元素汞（Hg⁰）氧化为汞离子（Hg²⁺），从而增强微生物对汞的甲基化作用（Huang等人，2020年）。然而，碳和氮驱动的反硝化过程如何影响沉积物中的汞甲基化，其具体机制尚未完全明了。

宣武湖位于中国南京，是一个典型的浅水湖泊，在城市防洪、生态平衡和休闲活动中发挥着重要作用（Song等人，2018年）。历史上，该湖泊曾出现过中度富营养化现象，但从2014年开始逐渐恢复到轻度富营养化状态。目前，水体中的总氮（TN）和总磷（TP）浓度分别为1.13 mg/L和0.054 mg/L，超过了《中国地表水环境质量标准》（GB 3838 - 2002）的规定。化学需氧量（COD）有所改善，从1998年的五类以上降至2014年的12.1 mg/L。沉积物中的总氮浓度范围为3.28×103至5.03×103 mg/kg，平均值为4.14×103 mg/kg，远高于背景水平1115.19 mg/kg。湖泊表层沉积物中汞的潜在生态风险指数为63.28，富集因子为3.33，表明存在中等风险（Wang等人，2024年；Ma等人，2011年）。因此，宣武湖仍然容易受到外部污染和沉积物释放的影响。富营养化过程可能通过藻类爆发、有机物和微生物的相互作用加剧汞的甲基化风险，对水生食物网和人类健康构成威胁（Lei等人，2021年）。

本研究通过现场采样收集了汞、甲基汞的空间分布数据以及沉积物的物理化学特性数据。通过添加碳和氮的实验，研究了反硝化和汞甲基化的过程以及这些过程中微生物类型和功能的变化。主要目的是阐明碳和氮如何影响沉积物中的汞甲基化过程。这些研究结果有助于更好地理解富营养化湖泊中汞的甲基化机制，并为受污染沉积物的管理和修复提供重要启示。

部分内容摘要

区域概况和样品采集

宣武湖位于中国南京（32°04'N, 118°45'E），是一个典型的浅水城市湖泊，面积约为3.68平方公里，平均深度为1.14米，最大深度为2米（Song等人，2018年）。自20世纪50年代以来，人类活动如土地开垦、水闸建设及人工养鱼使得浮游植物成为湖泊中的主要生产者。到20世纪80年代，湖泊出现了严重的富营养化现象。

宣武湖水体和沉积物中汞、甲基汞及物理化学因子的空间分布

宣武湖水体中汞和甲基汞的平均浓度分别为12.71 ng/L和1.11 ng/L（表S1），东部区域的浓度高于西部区域（图1）。沉积物中总有机碳（TOC）、总氮（TN）、氨氮（NH₄⁺-N）和硝酸盐氮（NO₃^--N）的平均浓度分别为4.29 mg/L、1.18 mg/L、0.75 mg/L和0.59 mg/L。沉积物中汞和甲基汞的平均浓度分别为0.29 mg/kg和0.27 μg/kg，北部地区的浓度高于其他区域。

影响水体中汞和甲基汞分布的因素

研究结果表明，宣武湖水体和沉积物中汞和甲基汞的分布模式存在明显的不均匀性。湖泊东部的浓度高于西部区域，这可能是由于东部地区的人类活动更频繁，导致污染物排放、大气沉降和其他来源的汞含量增加（Li等人，2024年；Song等人，

结论

本研究探讨了碳和氮在缺氧条件下如何影响沉积物中的反硝化过程及汞的甲基化。现场研究结果表明，宣武湖水体和沉积物中的汞和甲基汞浓度存在显著的空间差异，这种差异主要由湖泊各区域的人类活动驱动。沉积物中的总汞（THg）、总氮（TN）和氨氮（NH₄⁺-N）浓度与甲基汞呈正相关，而硝酸盐氮（NO₃^--N）则表现出相反的趋势。

展望

鉴于自然环境中碳和氮的多种形态和复杂结构，单一形式的氮对汞甲基化的影响无法完全解释汞的最终命运。未来的研究应探讨不同形式及组合形式的碳和氮对汞甲基化的影响，以全面阐明碳和氮影响汞甲基化的机制。

未引用的参考文献

(Jones等人，1995年；Liu等人，2022年；Liu等人，2022年；Ruiz-Fernández等人，2020年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年)

CRediT作者贡献声明

朱东东：撰写初稿、进行研究、进行正式分析、数据管理。赖秋英：软件使用、数据管理。周莉：方法设计、概念构建。龚子瑜：项目监督。杭晓帅：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金争取。王艳：撰写、审稿与编辑、资金争取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢中央级公益研究院专项基础研究服务（GYZX250105）、国家自然科学基金（42407557）以及长江三角洲生态与环境保护一体化研究院项目（ZX2023SZY118）的支持。