汞减排与气候行动的协同挑战：微生物介导的温室气体通量响应机制 中文标题 全球汞减排与气候行动的协同调控：微生物-温室气体纽带的作用与挑战

为厘清汞污染（Hg）如何通过影响微生物群落结构及功能，进而调控温室气体（GHGs）（CO2、CH4、N2O）通量，本研究系统综述了Hg-microbe-GHG三联体的作用机制，指出全球汞减排可能通过微生物介导过程对气候产生潜在反馈效应。研究提出三步路线图，强调需区分“现代汞”与“遗产汞”的生物有效性差异，识别敏感生态系统，为协同实施《水俣公约》与气候行动提供科学依据。

　　

随着全球工业化进程加速，汞污染已成为威胁生态系统和人类健康的重大环境问题。汞不仅具有神经毒性，还能通过大气传输在全球范围内扩散，甚至沉积在偏远地区的土壤和水体中。近年来，《水俣公约》的实施推动了全球汞减排行动，大气中的气态单质汞（Hg?）浓度已在北半球呈现显著下降趋势。然而，汞污染对微生物群落结构及功能的影响可能进一步 cascades 至温室气体（GHGs）的循环过程，这一机制尚未被充分认知。微生物作为碳（C）、氮（N）循环的关键调节者，主导着二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的产生与消耗。例如，分解者（如 Planctomycetota、Actinomycetota 和真菌）驱动有机质分解释放 CO₂；产甲烷古菌（Methanobacteria）在厌氧环境中生成 CH₄；而甲烷氧化菌（Verrucomicrobiota）则消耗 CH₄；硝化菌和反硝化菌（如 Pseudomonadota）参与氮转化并调控 N₂O 排放。汞污染可能通过抑制或刺激这些微生物功能群，间接影响全球温室气体通量，从而与气候行动产生复杂交互作用。

本研究通过整合多源证据，提出“汞-微生物-温室气体”三联体（Hg-microbe-GHG nexus）的概念框架，强调在持续人为汞和温室气体排放的基线情景下，汞减排措施可能通过微生物介导的反馈过程对气候产生未预期效应。例如，森林土壤中汞暴露可降低细菌基础呼吸11%-64%，而稻田系统中汞污染导致 Planctomycetota 和 Actinomycetota 等关键菌门丰度下降，引发生态系统多功能性减少65.6%。相反，牧场长期汞暴露可能促进 Verrucomicrobia 和真菌生长，加速有机质分解和 CO₂ 释放。这些效应在湿地、水稻田和沿海带等敏感生态系统中尤为显著，因为其高现代汞输入比例和活跃的微生物活动可能放大汞对 GHG 通量的影响。

为了解析这一复杂性，研究团队提出三步路线图：第一步，基于遥感技术（如 Landsat、Sentinel 系列）和机器学习模型识别汞减排敏感生态系统（如土壤凋落物层、藻华湖泊、人工湿地）；第二步，利用汞同位素指纹、宏基因组学和环境因子追踪，量化特定汞源（大气沉降、灌溉、凋落物）对微生物 GHG 通量的影响；第三步，依据协同或拮抗效应分区制定差异化减排策略，在敏感区实施 phased mitigation 并配套健康监测与公平保障机制。

主要技术方法包括：

1. 1.
   多平台遥感数据整合（MODIS、Sentinel-5P、LiDAR）用于监测 GHG 通量高值区与汞输入路径；
2. 2.
   机器学习与深度学习模型（ML/DL）耦合环境参数与微生物功能基因数据（如 IMG/M 数据库），预测汞-GHG 耦合概率；
3. 3.
   汞同位素源解析技术区分现代汞与遗产汞贡献；
4. 4.
   宏基因组学（metagenomics）分析微生物群落结构、功能基因（如 merA、hgcAB）及代谢潜能；
5. 5.
   控制实验（实验室与野外）量化汞浓度梯度下微生物 GHG 代谢响应。

研究结果：

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  汞对微生物群落与 GHG 通量的影响具有生态系统特异性：如表1所示，汞暴露在森林土壤中降低微生物多样性及呼吸作用，而在牧场环境中可能促进分解者丰度并增加 CO₂ 排放。稻田系统汞污染抑制硝化菌活性，导致氮保留偏向铵盐（NH₄⁺），并可能通过刺激反硝化酶活性短暂升高 N₂O 排放。
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  现代汞与遗产汞的生物有效性差异主导微生物响应：现代汞（大气沉降、凋落物输入）具有高生物有效性，主要以可溶性 Hg(II) 形式存在；而遗产汞（地质源及历史排放）常与有机质或矿物（如 HgS）结合，生物有效性低 unless 再活化。气候变暖、农业活动（如稻草还田）可 remobilize 遗产汞，增强其生物有效性及甲基化潜能（通过 hgcAB 基因介导）。
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  敏感生态系统是汞-GHG 耦合的热点区域：凋落物层因频繁的汞输入（年沉降通量达40.5–90.9 μg/m2）和活跃分解过程，成为陆地系统敏感点；藻华湖泊和沿海带因高有机质负荷及厌氧环境，促进产甲烷菌（Methanobacteria）主导的 CH₄ 排放；人工湿地受污水汞输入及水位波动影响，遗产汞再活化可能显著改变 GHG 通量。
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  微生物功能群对汞的响应非线性且具适应潜能：短期汞暴露引发微生物基因表达剧变，但长期可能发生适应（如 merA 基因阳性选择）。然而，汞排放快速下降（如崇明岛4年内降70%）下的微生物调整速率未知，这增加了减排策略的不确定性。

结论与讨论：

本研究系统阐释了汞减排通过微生物介导过程影响气候的潜在路径，强调需区分现代汞与遗产汞的角色以精准预测减排效应。敏感生态系统的识别为分区施策提供了科学依据：在协同区（汞减排同时降低 GHG 通量）可推进强化减排；在拮抗区（汞减排可能短期增加 GHG 排放）需采用渐进策略并配套公平保障措施。论文呼吁科学家、产业界、社区与政策制定者协同努力，将汞减排纳入气候变化、生物多样性保护的三重行星危机（triple planetary crisis）治理框架中。

该研究发表于《Nature Communications》，不仅深化了对污染-气候-生物多样性互作的理解，也为《水俣公约》与《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》的协同实施提供了 actionable 路线。未来需拓展至其他污染物（如塑料）的微生物生态效应，以全面应对全球环境挑战。