水分管理下稻田土壤中POM介导的汞固定化与甲基汞抑制机制：耦合地球化学与微生物过程的视角

《Environmental Research》：Mechanisms of POM-mediated Hg immobilization and MeHg suppression in paddy soil: a perspective of coupled geochemical and microbial processes under water management

　　

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  颗粒有机质（POM）改良可降低土壤中可生物利用汞含量，并驱动汞向稳定形态转化。
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  淹水通过保持POM结构和官能团完整性，增强汞的固定化作用。
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  POM通过底物限制和hgcA基因下调来抑制甲基汞（MeHg）的积累。
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  淹水刺激硫酸盐还原菌和铁还原菌活性，促进HgS沉淀。
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  Vicinamibacter是连接淹水土壤中碳循环与汞动态的关键微生物枢纽。

引言

汞（Hg）是一种全球性优先污染物，具有高毒性、持久性和长距离大气传输潜力，对生态系统和人类健康构成严重威胁（Selin and Selin, 2022）。在中国，历史矿业和工业活动地区的土壤汞污染尤为严重，例如中国西南地区，其中贵州省由于其较高的地球化学背景和历史上冶炼活动，被列为受影响最严重的地区之一（Huang et al., 2021）。稻田土壤作为典型的农业湿地，尤为值得关注，因为淹水引起的厌氧条件会激活汞甲基化微生物（Pu et al., 2024）。这推动了无机汞（Hg²⁺）向神经毒性甲基汞（MeHg）的生物转化，导致汞在稻谷中生物积累，并通过膳食暴露威胁食品安全（Strickman et al., 2022）。因此，开发能够同时固定无机汞并抑制稻田土壤中MeHg积累的综合策略，仍然是可持续农业面临的紧迫任务。

汞在土壤中的生物有效性及迁移性在很大程度上取决于其化学形态，而化学形态又取决于土壤理化性质和氧化还原条件的变化（Parvin et al., 2022）。土壤有机质（SOM）是控制汞形态的主要因素，其丰富的官能团和多孔结构为Hg²⁺提供了关键的结合位点（Yang et al., 2025）。在各种SOM组分中，颗粒有机质（POM）是一种相对轻量和未分解的组分，由于其独特的多孔结构和富集的含硫及含氧官能团，在有效固定重金属方面表现出突出优势。我们之前在鱼峰汞矿区开展的现场研究表明，POM在汞固定化方面比矿物结合有机质（MAOM）发挥更为突出的作用（Chang et al., 2025）。然而，在真实土壤环境中这一过程的潜在机制仍知之甚少。特别是，POM对汞的固定化主要是由其多孔结构中的物理截留驱动，还是由其含硫和含氧官能团的化学络合作用驱动，尚未得到系统区分。此外，除固定无机汞外，这种POM介导的汞固定化能否有效抑制MeHg积累，目前仍完全未被探索。

稻田水管理通常在水稻生长季内交替进行淹水和排水阶段。在淹水阶段，厌氧条件可促进硫酸盐还原和HgS沉淀，从而降低汞的迁移性；相反，在排水阶段，再氧化可能导致先前固定的汞重新活化（Li et al., 2022; Zhang et al., 2024）。以往研究曾探讨有机质改良与水管理对稻田系统中汞行为的综合影响。例如，改性生物炭与淹水结合已被证明能成功降低稻田中汞的有效性和MeHg产生量（Zhang et al., 2022）。然而，大多数研究侧重于大宗有机材料，未区分不同SOM组分的特定贡献。相比之下，POM在不同水管理条件下是否在汞固定化方面发挥独特作用仍很大程度上未被探索。此外，有关有机质与水管理相互作用的现有发现并不完全一致。一些研究表明，淹水条件下添加有机质可能无意中刺激汞甲基化（Wang et al., 2026），而另一些研究则报告了抑制效应（Zhang et al., 2024），这取决于改良类型和土壤条件。这种模糊性凸显了系统评估POM在不同水管理条件下对汞固定化影响的必要性，以及其效应是协同还是拮抗的。

微生物群落对汞的生物地球化学过程具有双重作用。微生物可通过其代谢活动间接影响汞的固定化。例如，硫酸盐还原菌具有产生硫化物的潜力，可能使汞以HgS形式沉淀，而铁还原菌将Fe(III)还原为Fe(II)，可能促进汞与矿物相结合（Xia et al., 2024）。此外，微生物还通过hgcA基因簇介导无机汞向神经毒性MeHg的转化，并通过merA编码的汞还原酶将Hg²⁺还原为Hg⁰（Rincón-Tomás et al., 2024）。传统上，MeHg的产生主要归因于甲基化微生物的丰度或如hgcA等功能基因的拷贝数（Li et al., 2023）。然而，仅凭基因丰度并不能完全解释MeHg积累的观测变异，表明群落水平相互作用也可能发挥重要作用（Zhang et al., 2026）。鉴于POM的添加向土壤引入了碳源和能量，预计会影响土著微生物群落。在波动的水管理条件下，此类碳输入可以重塑微生物网络。在此框架下，非甲基化关键类群可能通过调节碳周转或竞争甲基化类群而间接抑制MeHg形成，从而重塑微生物群落结构。在POM添加和水管理条件下，这种群落重组（而非单纯的基因丰度变化）是否是驱动MeHg抑制或刺激的主要因素，仍很大程度上未被探索。

为弥补上述知识空白，本研究开展了为期120天的土壤培养实验，结合批量吸附测试和多技术表征（SEM-EDS、FTIR、BET、XPS），以及高通量测序和功能基因定量（16S rRNA、cbbL、cbbM、merA、hgcA）。具体目标为：(1) 评估POM在非淹水和淹水条件下对土壤可生物利用汞和汞形态的固定化效率；(2) 鉴定负责Hg²⁺结合的关键官能团，区分化学吸附和物理截留作为主导结合模式，并探索POM添加影响汞固定化的直接和潜在间接途径；(3) 探究MeHg的抑制是否由微生物群落重组而非仅由基因丰度驱动，并鉴定将碳动态与汞转化联系起来的关键类群。基于上述知识空白以及POM中富集的含硫和含氧官能团，我们假设含硫官能团作为POM固定化Hg²⁺的主要结合位点，而非仅靠物理截留。此外，预计淹水可通过氧化还原敏感的地球化学途径（保持POM结构和官能团完整性）以及微生物途径（刺激硫酸盐还原菌和铁还原菌活性）增强这种固定化作用。此外，预计POM添加主要通过微生物群落重组而非仅通过降低hgcA基因丰度来抑制MeHg积累。本研究为理解POM介导的汞固定化提供了机制框架，并为开发有机改良-水管理联合策略以减轻受污染农业湿地的汞风险提供了科学依据。

分节摘要

POM的制备

黑土作为POM来源的选择基于对五种典型中国农业土壤的初步筛选，其中黑土表现出最高的土壤有机碳含量和最强的Hg²⁺吸附能力（图S1）。POM改良剂随后从吉林省白山市采集的黑土表层（0-20厘米）中分离获得，该土壤原始POM含量为20.42 g·kg^-1。分离前，采集的土壤经过风干、研磨和筛分

土壤理化性质的动态变化

POM的添加显著改变了土壤关键理化性质，且其效应受施用量和水管理方式调节（图S2）。无论水管理方式如何，土壤pH均表现出对POM添加的明显动态响应趋势，而对照组则保持稳定在约6.2左右（图S2A和S2B）。在非淹水条件下，所有POM处理在前14天均导致pH初始下降，且降幅呈明显的剂量依赖性关系。

POM固定Hg²⁺的微观机制：表面络合与硫结合

POM的物理微观结构在其固定Hg²⁺能力方面发挥基础性作用。SEM图像显示POM具有高孔隙度、海绵状团聚结构和极其粗糙的表面（图8A），提供了广阔的比表面积和良好的孔隙结构。这种复杂的微观形态创造了丰富的物理空间，并为Hg²⁺提供了众多潜在的截留位点，从而降低其在土壤中的迁移性和后续生物有效性（Yang

结论

本研究系统研究了颗粒有机质（POM）对不同水管理条件下土壤汞的固定化效率及机制，以及其对甲基汞（MeHg）积累的抑制作用。研究结果表明，POM添加可有效降低土壤可生物利用汞含量，并促进汞从操作性定义的活性形态（EX-Hg、CB-Hg）向残渣态（RES-Hg）再分布，且这些效应在淹水条件下显著增强。

CRediT作者贡献声明

黄青青（Qingqing Huang）：论文写作–审阅与编辑、监督指导。孙跃兵（Yuebing Sun）：资源提供。常建伟（Jianwei Chang）：论文写作–审阅与编辑、论文写作–初稿撰写、监督指导、软件、资源提供、方法学、调查研究、正式分析、数据整理。苗文瑞（Wenrui Miao）：方法学、数据整理。余慧娟（Huijuan Yu）：论文写作–审阅与编辑、监督指导。胡志鹏（Zhipeng Hu）：正式分析。甘春（Chun Gan）：监督指导

未引用参考文献

Johansson, 1988; Li et al., 2022; Wang et al., 2022; Zhang et al., 2024.

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报道的工作。

致谢

本研究获得了中国农业科学院创新工程（CAAS-CSGLCA-202302）、国家重点研发计划（2024YFD1701100）以及中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（Y2025YC128）的资助。感谢实验中引用作品的作者们。

Jianwei Chang|Huijuan Yu|Wenrui Miao|Chun Gan|Zhipeng Hu|Qingqing Huang|Yuebing Sun