气候驱动脱氧作用促进黑海古水体中汞甲基化微生物的繁盛

《Nature Water》：Climate-driven deoxygenation promoted potential mercury methylators in the past Black Sea water column

本刊推荐：为探究工业化前水体汞甲基化潜力，研究人员通过沉积古DNA宏基因组学分析，重建了黑海13,500年来汞甲基化基因（hgcA）的演化历史。研究发现大西洋期（9.0–5.5 ka cal BP）永久性缺氧水体形成阶段hgcA基因丰度最高，且与现存缺氧水体甲基菌（如Desulfobacterota）具有遗传连续性。该研究为预测气候变暖导致的沿海缺氧区扩张对甲基汞（MeHg）生成的影响提供了古环境证据。

　　

随着全球气候变暖，沿海水域的脱氧现象日益严重，这不仅威胁海洋生物多样性，还可能通过影响微生物的代谢活动加剧有毒物质的生成。其中，汞的甲基化过程尤为引人关注——在缺氧环境下，某些微生物能将毒性较低的无机汞转化为强神经毒性的甲基汞（Methylmercury, MeHg）。这种化合物易在食物链中富集，最终通过海产品消费危害人类健康。尽管现代观测已证实缺氧水域是甲基汞的“热点”生成区，但一个关键问题悬而未决：在工业化前（即人类活动导致汞排放激增之前），自然状态下的水体是否也存在活跃的汞甲基化过程？黑海，作为全球最大的永久性分层盆地，其沉积物档案为回答这一问题提供了独特窗口。

近日发表于《Nature Water》的研究通过分析黑海沉积岩芯中的古环境DNA（sedimentary DNA, sedaDNA），首次重建了末次冰消期以来（13.5 ka cal BP至今）汞甲基化微生物（携带hgcA基因的原核生物）的演化历史。研究发现，在距今9,000至5,500年的大西洋气候期（Atlantic chronozone），即黑海形成永久性分层缺氧格局的关键阶段，沉积物中hgcA基因丰度达到峰值。该时期温暖湿润的气候促进了有机质埋藏与水体分层，为硫酸盐还原菌（如Desulfobacterota）等厌氧甲基菌提供了理想生境。进一步对比显示，古沉积档案与现存缺氧水体中的甲基菌群落具有显著关联性，印证了脱氧作用对汞甲基化潜力的长期驱动效应。

关键技术方法

本研究整合了地质采样与分子生物学技术：

1. 1.
   利用重力岩芯（GGC18）获取黑海西部971米水深的沉积样本（42°46.569'N, 28°40.647'E），按气候分层选取19个年代节点（覆盖13.5 ka）；
2. 2.
   通过PowerMaxSoil试剂盒提取沉积物总DNA，并经抑制剂去除纯化后，构建Illumina测序文库；
3. 3.
   结合水体悬浮颗粒物DNA数据集（Phoxy航次，15个深度梯度），使用MEGAHIT进行宏基因组共组装，Prodigal预测基因；
4. 4.
   采用marky-coco流程鉴定hgcA/hgcB同源基因，以rpoB基因标准化覆盖度评估丰度；
5. 5.
   利用Kraken2/Bracken进行物种注释，并通过PCoA、ANOSIM、Procrustes分析验证群落结构关联性。

研究结果

汞甲基菌在黑海沉积档案与水体的分布特征

从沉积岩芯和水体宏基因组中分别鉴定出10个和91个独特的hgcA基因，对应46个微生物类群（NCBI txid）。沉积记录中的hgcA⁺类群主要属于Desulfobacterota、Chloroflexota、Actinobacteriota等门类，而水体样本则以Desulfobacterota为主导。值得注意的是，仅6个类群在沉积档案与水体中共享，说明古今甲基菌群落存在显著差异。通过宏基因组组装基因组（MAGs）进一步解析，发现hgcA基因富集于未培养的硫酸盐还原菌（如Desulfacyla euxinica、Desulfobacula maris）和厌氧细菌（如Anaerolineales）中。

汞甲基化活动的长期演化与环境变迁同步

基于古气候指标（如Mg/Ca、δ¹⁸O）将黑海13.5 ka历史划分为 Younger Dryas（干冷）、Preboreal-Boreal（凉干）、Atlantic（暖湿）、Sub-boreal（暖干）和Sub-Atlantic（凉湿）五个气候期。PCoA分析显示，不同气候期的hgcA基因库和原核生物群落结构均存在显著差异（ANOSIM, p<0.001），且两者结构高度一致（Procrustes分析, r=0.86）。具体而言，大西洋期的hgcA基因标准化覆盖度持续高于0.15，明显高于其他时期（<0.12），其中Desulfobacterota（txid231684）和Actinobacteriota（txid1883427）在该期优势显著。

水体剖面的hgcA基因丰度在缺氧层（100–500米）最高，以Desulfobacterota、Planctomycetota和Chloroflexota为主；而在2000米以深的完全缺氧层，基因丰度显著降低。沉积档案中，大西洋期的高hgcA信号与同期高总有机碳（TOC）含量（~15 wt%）及陆源有机质输入（如Actinobacterota富集）密切相关，暗示土壤径流携带的厌氧微生物可能促进了沉积甲基菌库的构建。

结论与讨论

本研究通过古DNA宏基因组技术，首次证实了工业化前黑海在自然汞源背景下仍存在活跃的汞甲基化潜力，且其强度受气候驱动的脱氧作用直接调控。大西洋期永久缺氧水体的形成与有机质埋藏为甲基菌（尤其是硫酸盐还原菌）提供了理想生态位，这与现代观测中缺氧区甲基汞生成热点机制一致。值得注意的是，沉积档案中甲基菌多样性低于现存水体，可能源于DNA降解效应或古今环境选择压力差异——例如，现代黑海受富营养化与人为汞排放影响，其微生物群落已不同于自然背景状态。

随着气候变暖加剧，沿海缺氧区扩张与初级生产力提升可能进一步放大甲基汞生成风险。据模型估算，现今黑海厌氧水域的甲基汞/汞转化率高达57%，且人为汞输入占比达85–93%。该研究不仅深化了对汞生物地球化学循环的长期认知，更警示了气候-人类活动协同作用下，水生态系统甲基汞污染可能对海产品安全与公共健康构成的潜在威胁。沉积古DNA技术在此成功应用，凸显了其在重建功能微生物演化历史及预测环境变化响应方面的独特价值。