低氧淡水环境作为汞甲基化菌的生态位

《Water Research》：Low-oxygen freshwaters as ecological niches for mercury methylators

汞甲基化基因（hgcA）在30个淡水系统中被检测到，缺氧（>0-2 mg O2 L-1）和厌氧（0 mg O2 L-1）环境中的丰度最高，显著高于富氧环境（≥2 mg O2 L-1）。主要优势菌群包括 Desulfobacterota（39个物种）、Bacteroidales（22系统）和 Kiritimatiellales（23系统），显示汞甲基化微生物的代谢多样性。环境分析表明hgcA丰度与溶解氧呈显著负相关，且菌群结构随氧梯度变化呈现显著差异（ANOSIM p<0.001）。研究揭示气候变暖导致的淡水缺氧化可能扩大汞甲基化菌的生态位。

　　汞甲基化是环境中汞转化为有毒神经毒素甲基汞（MeHg）的关键过程，这一过程主要由微生物介导。随着全球变暖导致的水体缺氧现象加剧，甲基汞的产生可能在淡水生态系统中变得更加普遍。本研究通过对来自186个淡水系统（湖泊、池塘和水库）的586个宏基因组进行分析，探讨了汞甲基化微生物的分布及其与水体氧浓度的关系，从而揭示了其生态适应性和潜在影响。

汞是一种广泛存在于自然环境中的重金属，其在生态系统中的存在对水生生物和人类健康构成了持续的威胁。虽然汞的自然来源包括岩石风化和火山活动，但人类活动，如水泥生产和化石燃料燃烧，显著增加了汞的环境浓度。然而，汞的生物可利用性主要依赖于微生物将其转化为甲基汞，这一过程由特定的基因（如*hgcA*和*hgcB*）控制。这些基因编码的蛋白质具有高度保守的氨基酸序列，使得科学家能够通过环境DNA样本直接检测汞甲基化微生物的存在。这一方法已被广泛应用于不同生态系统中汞甲基化微生物的多样性与分布研究。

在本研究中，我们分析了来自全球不同淡水系统的宏基因组数据，特别是关注水体氧浓度对汞甲基化微生物分布的影响。研究发现，*hgcA*基因在30个湖泊的水体中被检测到，其中在缺氧（0 mg O? L?1）和低氧（>0-2 mg O? L?1）条件下，该基因的丰富度和丰度均显著高于有氧（>2 mg O? L?1）环境。这表明，汞甲基化微生物在低氧条件下更为活跃。然而，尽管*Desulfobacterota*在大多数淡水系统中表现出最高的*hgcA*基因丰富度，某些系统中*HgcA*基因主要由*Bacteroidales*和*Kiritimatiellales*等微生物群体主导，这表明汞甲基化微生物具有广泛的代谢和生态适应性。

进一步的分析表明，汞甲基化微生物的分布与水体的氧浓度、温度和pH值等环境因素密切相关。*hgcA*基因的丰度与这些参数呈显著负相关，尤其是在缺氧条件下，其丰度达到峰值。此外，使用TITAN2工具进行的分析揭示了多个微生物类群在氧浓度梯度下的响应模式。其中，13个类群表现出随着氧浓度增加而显著减少的趋势，而另外两个类群则表现出相反的模式，其丰度在低氧条件下增加。这表明，尽管大多数汞甲基化微生物偏好低氧环境，但仍存在一些能够在较高氧浓度下维持活性的微生物。

值得注意的是，尽管汞甲基化微生物主要在低氧环境中活跃，但在某些有氧水体中也发现了*hgcA*基因的存在。例如，在瑞士和法国交界处的日内瓦湖，*hgcA*基因在有氧水体中被检测到，这可能与水体中的沉积物和悬浮颗粒有关。这些颗粒提供了局部的缺氧微环境，使得汞甲基化微生物能够在有氧水体中存活并发挥作用。然而，直接在有氧水体中检测到*hgcA*基因的情况较为罕见，这可能是因为有氧条件不利于这些微生物的活性，或者其存在形式较为隐蔽。

研究还发现，不同淡水系统中的汞甲基化微生物具有显著的分类学差异。例如，在一些湖泊中，*Desulfobacterota*是主要的汞甲基化微生物，而在其他湖泊中，*Bacteroidales*和*Kiritimatiellales*则更为常见。这种多样性可能与不同湖泊的水文动态、营养状况和生物群落结构有关。此外，随着全球气候变化和水体富营养化现象的加剧，缺氧和无氧水层的范围正在扩大，这可能会进一步促进汞甲基化微生物的活动，从而增加甲基汞的生成和积累。

本研究的发现对于理解汞在淡水生态系统中的转化过程以及评估其对环境和人类健康的潜在影响具有重要意义。汞甲基化微生物的分布模式表明，某些淡水系统可能成为甲基汞生成的热点区域，尤其是在全球变暖导致的水体缺氧现象加剧的背景下。因此，对这些系统的密切监测和管理显得尤为重要。通过本研究的结果，可以为湖泊管理策略的制定提供科学依据，并为鱼类消费建议的更新提供参考，以保护生态环境和人类健康。

此外，研究还强调了汞甲基化微生物的生态适应性和代谢多样性。尽管大多数汞甲基化微生物在低氧条件下活跃，但也有部分微生物能够在较高氧浓度下维持一定的活性。这种多样性可能使得汞甲基化过程在不同的水体条件下具有一定的灵活性和适应性。因此，未来的生态研究需要更加全面地考虑不同环境条件对汞甲基化微生物的影响，以及这些微生物在生态系统中的潜在作用。

本研究的数据集涵盖了从全球不同淡水系统收集的宏基因组数据，其中大部分来自北半球。通过系统性的重新分析，我们能够更准确地比较不同系统中汞甲基化微生物的多样性与分布情况。这种比较不仅有助于识别汞甲基化微生物的主要类群，还能够揭示其在不同环境条件下的适应策略。例如，在一些富营养化的湖泊中，汞甲基化微生物的丰度显著增加，这可能与水体中有机质的分解和硫化物的积累有关。

总的来说，本研究揭示了汞甲基化微生物在淡水生态系统中的广泛分布及其与水体氧浓度的密切关系。这些微生物在低氧条件下更为活跃，而其在有氧环境中的存在可能与局部微环境有关。随着全球变暖和水体富营养化现象的加剧，汞甲基化微生物的活动范围可能会进一步扩大，从而增加甲基汞的生成和积累。因此，对这些微生物的持续监测和研究对于评估汞污染风险和制定有效的环境管理措施至关重要。同时，研究还指出，尽管*hgcA*基因的丰度可以作为汞甲基化微生物存在的指标，但其丰度与实际汞甲基化能力之间可能存在一定的脱节，因此需要进一步的实验研究来验证这一假设。