纳米矿物驱动的化能自养作用：全球汞排放的重要新来源

《National Science Review》：Nanomineral-fuelled chemolithoautotrophy leads to substantial mercury emission

本研究针对全球汞(Hg0)排放被严重低估的科学难题，揭示了硫化汞纳米颗粒(HgSNP)作为新型能量源支持化能自养微生物生长并释放大量Hg0的机制。研究人员发现HgSNP通过ATP非依赖方式高效内化，经硫氧化代谢和多重还原途径产生Hg0，年排放量达272.44±134.99吨，相当于地质排放量，对完善全球汞循环模型具有重要意义。

　　

汞，这种在常温下就能蒸发的神秘金属元素，如同一个看不见的幽灵在全球大气中游荡。它既能通过火山喷发、岩石风化等自然过程释放，也来自人类活动如煤炭燃烧、工业生产等。尽管2017年生效的《水俣公约》已推动全球控汞行动，但科学界逐渐发现一个令人不安的事实：现有模型可能低估了高达40%的汞排放量。更蹊跷的是，在深海冷泉、海沟等完全黑暗的环境中，尽管溶解态汞浓度极低且缺乏光照，却依然检测到显著的汞释放，这暗示着存在尚未被认知的汞排放机制。

传统认知中，微生物主要利用黄铁矿等含丰富无毒元素的矿物作为能量来源。而硫化汞(HgS)作为一种含剧毒金属的矿物，是否也能支持微生物生长？这项发表在《National Science Review》上的研究给出了颠覆性的答案：不仅能够支持，而且当硫化汞以纳米颗粒形式存在时，这种过程变得如此高效，以至于成为全球汞排放的重要贡献者。

为了揭示这一现象的内在机制，研究团队设计了一系列精巧的实验。他们选取了三种典型的化能自养细菌作为研究对象：硫氧化细菌Thiobacillus thioparus和Paracoccus pantotrophus，以及铁氧化细菌Acidithiobacillus ferrooxidans。当这些细菌与硫化汞纳米颗粒(HgS_NP)共培养时，出现了令人惊奇的现象：细菌不仅能够以HgS_NP作为唯一电子供体维持生长，还释放出大量单质汞(Hg⁰)。

通过生长曲线和汞释放量的同步监测，研究人员发现HgS_NP支持细菌生长的效果显著优于块状HgS，且Hg⁰的产生量与细菌生长呈正相关。在硫氧化细菌T. thioparus中，纳米颗粒与微生物的相互作用在指数生长初期就实现了9.7±1.1%的总汞转化效率。

研究的关键突破在于揭示了HgS_NP进入细胞的独特方式。与传统认知不同，纳米颗粒的内化并不依赖能量消耗型的主动运输，而是通过一种被动扩散机制。

透射电镜与能谱分析清晰地显示，HgS_NP主要位于细胞质内，且由汞和硫元素组成，证实了细菌对纳米颗粒的直接摄取。更令人惊讶的是，这种内化过程对细胞膜完整性没有明显影响，暗示存在一条高效的纳米颗粒摄取途径。

分子动力学模拟进一步从能量角度解释了这一现象：HgS_NP跨膜过程的自由能垒显著低于溶解态Hg(II)，这使得纳米颗粒更容易穿透细胞膜。这种ATP非依赖的被动运输方式，为理解纳米颗粒的生物利用度提供了全新视角。

进入细胞后，HgS_NP经历了怎样的转化历程？基因表达分析显示，所有测试的化能自养细菌在接触HgS_NP后，硫氧化相关基因均显著上调，尽管不同菌株涉及的具体代谢基因存在差异。

硫氧化过程产生了SO₄^2-、S₂O₃^2-和S⁰等多种产物，其中SO₄^2-占主导地位。硫的快速氧化与HgS_NP的溶解过程高度同步，表明硫的代谢与汞的释放源于同一前体化合物。

面对细胞内积累的汞离子，细菌启动了多重解毒机制。研究发现，不同菌株采用了差异化的汞还原策略：T. thioparus和A. ferrooxidans依赖merA基因介导的汞还原途径；P. pantotrophus虽缺乏merA基因，但通过产生超氧阴离子(O₂^•-)实现汞还原；而A. ferrooxidans还额外拥有细胞色素c介导的还原途径。

这些发现不仅解释了HgS_NP转化为Hg⁰的分子机制，更重要的是，它们共同指向一个被长期忽视的全球汞排放源。通过整合实验室数据与野外观测，研究团队建立了全球尺度模型，估算出这一过程的年排放量高达272.44±134.99吨，相当于地质汞排放量，并与第四大人为排放源水泥生产的排放量相当。

本研究采用的关键技术方法包括：选择典型化能自养细菌模型（硫氧化细菌Thiobacillus thioparus、Paracoccus pantotrophus和铁氧化细菌Acidithiobacillus ferrooxidans）进行培养实验；运用透射电子显微镜结合能谱分析表征纳米颗粒在细胞内的分布；通过分子动力学模拟计算跨膜能量壁垒；采用实时定量PCR技术分析基因表达差异；结合抑制剂实验验证不同汞还原途径的贡献；建立全球空间分布模型估算排放通量。

HgSNP support chemolithoautotrophy while producing Hg0

研究表明，化能自养细菌能够利用HgS_NP作为生长底物，并在此过程中释放大量Hg⁰。与块状HgS相比，HgS_NP支持更显著的细菌生长和更高的汞转化效率，表明纳米尺度下的微生物-矿物相互作用具有独特机制。

HgSNP were internalized into the cells through an ATP-independent, passive diffusion fashion

HgS_NP通过ATP非依赖的被动扩散方式进入细胞，这一过程不损害细胞膜完整性。分子模拟显示HgS_NP跨膜能垒低于溶解态Hg(II)，从热力学角度解释了其高效内化的原因。

Intracellular transformation of HgSNP

细菌内化HgS_NP后迅速启动硫氧化代谢，产生高价态硫物种并释放溶解态Hg(II)。不同菌株的硫代谢基因表达谱存在差异，但均能有效利用HgS_NP中的还原态硫作为能量来源。

Mercury detoxification by chemolithoautotrophic bacteria

细胞内Hg(II)通过三种主要途径被还原为Hg⁰：mer操纵子介导的还原、超氧阴离子介导的还原以及细胞色素c介导的还原。不同菌株根据其遗传背景采用不同的解毒策略，确保在利用HgS_NP的同时有效应对汞毒性。

Implications for metal biogeochemistry

该研究重新定义了矿物-金属-微生物相互作用的认知框架，强调颗粒尺寸与元素组成同等重要。纳米矿物支持的化能自养作用成为全球汞循环的关键环节，年排放量达272.44±134.99吨，相当于地质排放量，呼吁在评估汞排放潜力时针对性监测化能自养细菌活性。

这项研究突破了传统认知边界，证明含有毒金属的纳米矿物不仅能支持微生物生长，还能成为重要的生物地球化学过程驱动者。纳米尺度下的特殊行为使HgS从相对惰性的汞汇转变为活跃的汞源，这一发现对完善全球汞循环模型、制定精准的汞污染控制策略具有深远意义。同时，研究拓展了矿物支持化能自养作用的光谱，为理解微生物在极端环境中的能量获取方式提供了新视角。