微生物介导的农田土壤甲基汞降解机制及其对稻米汞积累的调控作用

针对农田土壤中神经毒性甲基汞(CH3Hg+)积累问题，研究人员通过13CH3Hg+-DNA稳定同位素标记和宏基因组分析，鉴定出Pseudarthrobacter、Methylophilaceae(MM2)和Dechloromonas等关键降解菌群，揭示其通过Wood-Ljungdahl途径等非merB依赖机制降解CH3Hg+，可使中国稻米CH3Hg+积累降低0.08-0.64倍，为汞污染生物修复提供新策略。

　　

甲基汞(CH₃Hg⁺)作为环境中最具神经毒性的汞形态，可通过水稻等农作物进入食物链，导致不可逆的神经系统损伤。全球范围内，稻田土壤因缺氧条件成为CH₃Hg⁺生成的热点区域，而中国作为水稻主产国，稻米消费带来的CH₃Hg⁺暴露风险尤为突出。虽然微生物降解被认为是CH₃Hg⁺转化的关键途径，但自然环境中具体的降解菌群及其代谢机制仍不明确，这严重制约了基于微生物调控的汞污染治理策略的开发。

为解决这一科学难题，华中农业大学农业微生物资源与利用团队联合多家科研机构，通过创新性地结合¹³C标记DNA稳定同位素示踪(SIP)与宏基因组技术，首次在农田土壤中鉴定出活性CH₃Hg⁺降解微生物群落，并阐明其非merB依赖的新型降解途径。该研究成果发表于《Nature Communications》，为发展农田汞污染微生物修复技术提供了理论依据。

研究采用¹³CH₃Hg⁺标记技术追踪高/低汞污染的水稻土和旱地土壤中的活性降解菌群，通过PacBio长读长16S rRNA测序鉴定关键分类单元，结合纯培养验证和宏基因组组装基因组(MAGs)分析代谢通路。来自中国典型稻作区的土壤样本（湖北咸宁低汞区和贵州万山高汞区）为研究提供了地理对比基础。

13CH₃Hg⁺降解效率的土壤差异
实验显示28天内高汞污染水稻土(High-P)的CH₃Hg⁺降解效率达86%，显著高于同区域旱地土壤(37%)。相反，低汞区旱地土壤(Low-U)降解效率(64%)反而高于其水稻土(40%)，表明土壤类型和本底汞浓度共同调控降解潜力。

关键降解菌群的鉴定
DNA-SIP分析揭示Xanthomonadaceae、Comamonadaceae和Xanthobacteraceae是跨地理区域的共享降解菌群。在高汞水稻土中，Pseudarthrobacter、Dechloromonas和MM2(Methylophilaceae)的¹³C标记丰度显著增加。通过纯培养实验证实，Dechloromonas denitrificans和Methylovorus menthalis确实具有CH₃Hg⁺降解能力。

非merB依赖的降解途径
宏基因组分析发现：①5个高质量MAGs（主要属于放线菌门和芽单胞菌门）均不含merA/merB基因；②这些菌群富含Wood-Ljungdahl途径(folD、metF等)、二羧酸-羟基丁酸循环(sucC等)和甲烷代谢(mtrB)相关基因；③氮代谢基因(napA、nirS等)在¹³C标记组显著富集，提示CH₃Hg⁺可能通过C1代谢耦合反硝化过程被降解。

稻米汞积累与健康风险
基于生物富集因子(BAF)模型估算，微生物降解可使中国主要稻区稻米CH₃Hg⁺含量降低0.10-2.25μg kg^-1，相当于 hazard quotient(HQ)风险下降0.62-13.75%，新生儿智商(IQ)损失减少0.13-2.84%。

该研究突破性地揭示了农田CH₃Hg⁺降解的微生物"黑箱"，证实了非merB途径在自然环境中的重要性。发现的Pseudarthrobacter等菌株可作为生物强化接种剂的候选资源，而Wood-Ljungdahl途径等代谢靶点为合成生物学改造提供了方向。研究提出的"微生物降解-稻米汞积累"定量关系模型，为发展基于微生物调控的农产品安全策略奠定了科学基础。 Zhou Xin-Quan等的工作不仅拓展了对汞生物地球化学循环的认知，也为实现《水俣公约》提出的汞污染治理目标提供了创新思路。