生物电流能够缓解四环素在土壤中加剧的汞甲基化作用

《Separation and Purification Technology》：Biocurrent alleviates the mercury methylation exacerbated by tetracycline in soil

云张|岳伟杨|辛宇|孙嘉璐|杨静|陈雅丽|孙岳冰|李晓静

农业农村部农业环境保护研究所 / 农业资源与环境研究所农业环境污染控制与防治重点实验室 / 天津农业环境与农产品安全重点实验室，中国天津300191

摘要

汞（Hg）和四环素（TC）的污染修复在农业土壤中是一个挑战。然而，这些复合污染物的相互作用尚未得到充分理解。本研究构建了一个土壤微生物电化学系统，以探讨生物电流对减轻TC诱导的汞甲基化的影响。结果表明，与单独使用汞的情况相比，添加TC使甲基汞含量增加了24%（p < 0.05）。此外，生物电流使单汞组和TC-Hg组中的阳极甲基汞含量分别减少了48%和26%（p < 0.05）。这种缓解效果归因于编码汞还原酶的merA基因表达上调（44–68%）以及可能的非merB依赖性脱甲基化途径的激活。密度泛函理论计算表明，生物电流通过改变甲基汞分子的电子状态，降低了C-Hg键的断裂能（3.40 eV），从而促进了微生物的脱甲基化过程。此外，生物电流还将TC的降解路径转向了脱水产物，降低了能量障碍并增强了化学反应性。这项研究表明，TC会加剧汞甲基化的风险，而生物电流通过生物电化学刺激可以减轻这一风险，为重金属和抗生素共污染土壤的修复提供了一种策略。

引言

汞（Hg）和四环素（TC）作为两种典型的环境污染物，由于它们的共存污染而受到越来越多的关注[5],[45]。它们的时空重叠增加了复合污染的复杂性，对农田安全和公共健康构成了重大威胁。目前，大多数研究集中在单一污染物上。然而，在复合污染环境中的相互作用和生态影响仍不清楚。值得注意的是，抗生素和重金属的共存可以通过改变微生物群落结构、代谢活性和功能基因表达，产生协同或拮抗效应[14]。这些相互作用通常比单一污染物更为复杂。例如，最近的研究表明，铜和氧四环素的联合暴露会对水生生物产生协同毒性作用[50]。这些发现表明，TC可能会影响汞的环境行为和生物转化。然而，关于土壤-微生物系统的相关研究仍然有限。

在土壤中，汞主要以元素汞（Hg⁰）、无机汞（Hg²⁺）和有机汞化合物的形式存在，其中甲基汞（MeHg）的毒性最强[2],[18],[19]。由于MeHg具有强烈的神经毒性和通过食物链的生物积累特性，最终会进入人体[10]。通常，水稻田被认为是甲基汞生成的热点区域。MeHg主要来源于微生物介导的汞甲基化过程[26]。在缺氧条件下，如积水的土壤中，厌氧微生物（如硫酸盐还原菌和铁还原菌）通过表达汞甲基化基因（hgcAB）促进无机汞向MeHg的转化[12],[13]。这一过程受汞的生物可利用性、土壤的物理化学性质（如pH值、氧化还原电位、有机物含量）[8],[26]以及微生物群落结构的影响[12]。其中，汞的生物可利用性是甲基化潜力的关键决定因素，汞的形式受到土壤成分（如硫化物、有机物和铁氧化物）的显著影响[1],[6],[11]。

抗生素不仅促进了抗生素抗性基因的传播，还对土壤微生物群落施加了选择压力，从而影响了重金属的生物转化[20]。最近的研究表明，抗生素通过改变微生物群落结构间接影响了重金属的环境行为[33]。例如，诺氟沙星通过富集杆菌属（Bacillus）减少了铅的生物可利用性[32]。据此推测，TC可能会通过改变甲基化汞的微生物的数量和活性（特别是携带hgcAB基因的微生物）、形成TC-Hg复合物改变汞的生物可利用性，以及干扰微生物的正常代谢途径，从而间接影响汞的转化。

面对复合污染的挑战，开发高效且环保的原位修复技术迫在眉睫[4],[17]。目前，微生物电化学系统（MES）由于其独特的优势和环境相容性而显示出巨大的潜力[34],[37],[39]。MES利用电活性微生物作为催化剂，通过细胞外电子转移过程将有机物的化学能转化为电能，同时促进污染物的降解[21],[35]。我们之前的研究发现，加速土壤电子转移分别减少了29%的生物可利用汞和45%的甲基汞[28]。由于生物电流显著增加了细胞外呼吸菌和汞转化菌的数量，并上调了脱甲基化基因的表达，这些结果表明生物电流通过影响携带汞转化基因的微生物来调节汞的转化。MES在控制抗生素污染方面也显示出显著潜力。研究表明，在生物电流刺激下，42–50%的TC在7天内被降解，这比开路处理高出42–67%[43],[44]。此外，抗生素抗性基因减少了12–27%，宿主数量下降了38%[38]。尽管现有研究分别探讨了生物电流对重金属和抗生素的去除效果，但关于汞-TC复合污染的研究，特别是生物电流在两者相互作用中的调节作用仍然有限。

本研究构建了一个土壤MES，以探讨生物电流对汞-TC复合污染中汞甲基化的抑制效应。研究目的如下：（1）调查TC对土壤中汞甲基化风险的影响；（2）评估生物电流对甲基汞积累的抑制效应；（3）研究生物电流调节下微生物群落和功能基因的响应模式；（4）阐明TC降解途径与汞转化过程之间的耦合机制。

段落摘录

土壤MES的构建与运行

反应器由一个聚丙烯塑料盒（10 × 10 × 9.5 cm）制成，钛片用作导线，碳毡同时作为阳极和阴极。阳极和阴极的尺寸分别为6 × 6 cm和8 × 8 cm的正方形。为了制备土壤混合物，将500克土壤与150毫升水充分混合。然后将一部分土壤混合物倒入反应器中，当高度达到2厘米时，将其放置在阳极上。剩下的土壤...

MES的电化学性能

连接电路后，含有TC和TC-Hg的两种土壤系统立即产生了生物电流。尽管在最初30天内两种土壤MES的电压变化相似（图1a），但TC的加入显著提高了土壤MES的电化学性能。之后，TC-Hg组的电压高于单汞组。第5天，电压达到了175 ± 29 mV的第一个峰值。从第20天开始，电压再次上升。

TC加剧了汞的甲基化，但生物电流减轻了这一效应

本研究的一个关键发现是，TC对汞甲基化的影响与生物电流的存在密切相关，这种风险取决于环境条件。值得注意的是，在NE组中，添加TC并未导致土壤中甲基汞含量的显著变化。然而，在施加生物电流的CC系统中，TC-Hg复合污染土壤中的甲基汞含量明显高于单汞污染土壤（图2e）

结论

本研究系统地研究了生物电流对汞-TC复合污染土壤中汞甲基化风险的调节作用。TC的添加通过增加甲基化汞微生物的种间共生网络的复杂性，加剧了汞的甲基化。基本上，生物电流上调了汞还原酶merA基因的表达，促进了将Hg²⁺还原为挥发性Hg⁰的解毒过程，减少了可供甲基化的汞底物

未引用参考文献

[40]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了农业科技创新计划（CAAS-BRC-GLCA-2023-02和CAAS-BRC-GLCA-2025-02）、国家自然科学基金（42477041和41977133）以及天津市自然科学基金重点计划（23JCZDJC00480）的财政支持。