《Journal of Hazardous Materials》：Overlooked role of soil microbial-derived carbon in promoting neurotoxic methylmercury production
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甲基汞在水稻中的生物富集受土壤有机质影响，微生物残体（尤其是革兰氏阴性菌）通过释放含硫化合物增强汞生物有效性，促进甲基汞生成。DNA同位素示踪和长读测序揭示微生物残体驱动高甲基化潜力菌属（如Geobacter）富集。
杨曼|胡志成|刘慧文|张文|郝云云|刘琴|孟佳轩|孟波|黄巧云|顾宝华|刘玉荣
华中农业大学农业微生物国家重点实验室与资源与环境学院，中国武汉430070
摘要
由于甲基汞（MeHg）对人类健康的潜在威胁，其在水稻中的生物累积引起了全球关注。有机碳是影响土壤中MeHg产生的关键因素，因为它调节着汞的生物可利用性和微生物活性。然而，作为土壤有机质重要来源的微生物衍生碳在调节MeHg产生中的作用仍不清楚。在这里，我们比较了微生物残体（即革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和真菌）和植物残体在稻田土壤培养过程中对微生物甲基化的影响。结果表明，添加这四种类型的有机物质均导致MeHg浓度升高，其中革兰氏阴性菌残体的增强效果最为显著（2.07-5.73倍）。通过结合DNA稳定同位素探针技术和汞甲基化基因（如）的长读长测序分析，我们发现这种促进效应与高甲基化潜力的甲基化菌（如Geobacter）在革兰氏阴性菌残体处理中的比例增加有关。同时，傅里叶变换离子回旋共振质谱分析显示，微生物残体和植物残体的分解释放了更多的含硫化合物，这些化合物通过与土壤中的汞形成复合物从而提高了汞的生物可利用性。这些发现突显了土壤中微生物衍生碳在增强汞甲基化方面的关键作用，并强调了在预测环境中MeHg产生时有机质来源的重要性。
引言
甲基汞（MeHg）是一种神经毒素，由于其能够在食物链中生物累积和生物放大，因此对环境和健康构成潜在风险[1]、[2]。先前的研究表明，除了通过食用鱼类暴露外，以水稻为主食的人群主要通过摄入水稻而暴露于MeHg[3]、[4]、[5]、[6]。水稻中的MeHg主要来源于某些携带基因簇的微生物在缺氧稻田土壤中对无机汞（Hg）的甲基化[10]、[7]、[8]、[9]。土壤中的微生物汞甲基化过程通常受到多种环境因素的影响，包括有机质（OM）、硫酸盐、pH值、氧化还原电位等[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。特别是有机质被认为在影响MeHg形成方面起着关键作用，它不仅作为电子供体为汞甲基化微生物提供养分，还通过络合作用影响汞的生物可利用性[16]、[17]、[18]。植物残体及其分解产物（如纤维素和木质素）因其复杂的结构和化学抗性而成为有机质的主要组成部分[19]、[20]。先前的研究已经记录了植物衍生有机质对土壤中MeHg形成的显著影响[21]、[22]。例如，将稻草返回稻田可以促进汞甲基化菌的活动，从而增加MeHg的产生[22]。最近的研究表明，微生物残体衍生的有机质约占土壤有机质的35-51%[13]、[23]，这对生物地球化学过程具有重要意义[25]、[26]。与植物残体相比，尽管其调节汞甲基化的作用已被广泛研究，但微生物残体在生化组成和分解特性上存在根本差异，可能对土壤环境过程产生不同的影响[27]；然而，其在土壤微生物汞甲基化中的作用仍不清楚。
微生物残体主要由死亡后留在土壤中的细菌和真菌的残余生物量组成，包括细胞壁成分、蛋白质和其他生物分子[27]、[28]。细菌细胞壁的主要成分是肽聚糖，而真菌残体富含几丁质和黑色素[27]。先前的研究发现，微生物残体中的肽聚糖和几丁质可以分解为游离的葡糖胺和氨基酸[29]、[30]、[31]。含氮化合物（如葡糖胺和氨基酸）已被证明可作为可利用的养分和电子供体，可能通过刺激汞甲基化菌的活性来增加MeHg的产生[17]、[32]。同时，微生物残体分解过程中释放的含硫化合物（如含巯基分子）可以与汞形成强复合物，改变汞的形态并可能提高其生物可利用性，从而促进MeHg的形成[33]。此外，不同类型的汞甲基化菌群（如硫酸盐还原菌、铁还原菌、甲烷生成菌和发酵Firmicutes）对来自不同来源的有机质的增加可能有不同的反应，这取决于有机质的组成、生物降解性和微生物的底物偏好[34]。例如，来自藻类分解的低分子量物质有助于硫酸盐还原菌和某些特定甲烷生成菌（如乙酸裂解甲烷生成菌）的生长[35]。含有较高酚-醌比的天然有机质已被证明可以通过增强Geobacteraceae的活性来促进微生物甲基化[36]。然而，关于微生物残体衍生有机质对汞甲基化微生物影响的实证证据仍然不足。
为了填补这一知识空白，我们进行了一系列实验，比较了稻田土壤中MeHg的产生对植物残体（即稻草）和不同来源的微生物残体碳（来自革兰氏阴性菌（G-）、革兰氏阳性菌（G+）和真菌）的反应。我们首先使用DNA稳定同位素探针技术（SIP）和汞甲基化基因（即）的长读长测序分析，鉴定了吸收13C标记有机质的关键汞甲基化菌。然后，我们通过傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR-MS）和三维激发-发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱分析了添加微生物残体和植物残体后土壤中溶解有机质（DOM）的特性，这些结果对于理解添加不同类型有机质后的汞生物可利用性非常重要。这项研究为土壤有机质对微生物汞甲基化的影响以及汞生物化学循环的驱动力提供了新的见解。
土壤采样和微生物残体及植物残体的制备
2022年12月，从中国广州附近的一个稻田（23?9′ N, 113?21′ E）采集了五个独立的表层土壤样本（深度0-15厘米）。采集的土壤被密封在塑料袋中，放在冰上，然后送回实验室。去除大的植物残体和其他杂质后，样本在4°C下储存一个月，然后进行培养。部分样本被冻干并储存在-20°C下以备后续分析。
不同有机质来源对土壤中MeHg产生的影响
与对照组（未添加有机质）相比，微生物残体和植物残体的添加在14天的培养期间均增强了稻田土壤中的MeHg产生，但程度取决于不同的有机质来源（图1）。G-残体处理的MeHg浓度比植物残体处理高2.07-5.73倍，而G+和真菌残体处理的MeHg产生水平与植物残体处理相似。
环境意义
有机质是影响水稻稻田土壤中神经毒素甲基汞（MeHg）产生的关键因素之一。通过结合DNA稳定同位素探针技术和汞甲基化基因的长读长测序分析，我们提供了实验证据，证明了微生物衍生碳在MeHg产生中的重要性超过植物残体。这些结果对于预测和减轻稻田中的MeHg产生具有重要意义。
未引用参考文献
[24]
CRediT作者贡献声明
杨曼：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，正式分析，数据管理。胡志成：方法学，研究。刘慧文：方法学。张文：方法学。黄巧云：撰写 – 审稿与编辑。顾宝华：撰写 – 审稿与编辑。刘玉荣：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，数据管理，概念化。郝云云：撰写 – 审稿与编辑。刘琴：撰写 – 审稿与编辑。孟佳轩：
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42425701）的支持。我们感谢中国地质大学的傅勤龙博士在FT-ICR MS分析方面的帮助。
