与冰盖表面冰尘（cryoconite）中汞甲基化过程相关的微生物谱系及其代谢能力

《Journal of Hazardous Materials》：Microbial lineages and metabolic capacities associated with mercury methylation in supraglacial cryoconite

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  原位汞修正实验在冰状沉积物中引发了短期甲基汞（MeHg）的反应。
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  HgcA基因的表达在不同冰川地点之间存在分类学上的差异。
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  拟杆菌门（Bacteroidota）和脱硫细菌门（Desulfobacterota）在HgcA基因表达中起着重要作用。
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  优先被研究的基因揭示了参与甲基转移的协因子、甲基供体以及氧化还原能力。
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  引言

  汞（Hg）是一种具有远距离传输和跨介质交换能力的全球性污染物。气态汞（Hg⁰），包括从氧化态汞转化而来的还原形式，可以通过干沉降和湿沉降进入大气层，并在远离排放源的地方重新沉积[1], [2]。无机汞离子（Hg²⁺可以通过微生物的甲基化作用转化为甲基汞（MeHg）[3], [4]。由于甲基汞的亲脂性和较长的生物半衰期，它会在食物网中富集，并对人类健康构成显著的神经发育风险[5], [6]。极地和高海拔地区的冰川是长期积累大气污染物的主要汇[1]，冰芯记录显示自工业化以来汞的埋藏通量有所增加[7], [8], [9]。加速的冰川融化可能会重新释放这些储存的汞，并将其输送到下游生态系统[10]。

  冰状沉积物（cryoconite）由矿物质、有机物质和微生物组成[11], [12], [13]，广泛存在于冰川表面。它们能够积累大气中的灰尘、黑碳和微量元素[14], [15]，并形成具有高表面积、富集底物和陡峭氧气梯度的微环境[16]。因此，冰状沉积物支持光自养[17]、化能自养[18]、混合营养[19]和厌氧代谢[16], [20]，为硫酸盐还原、铁还原、甲烷生成和发酵等过程提供了适合的生境。先前的宏基因组学研究发现，冰状沉积物中存在基因，并且甲基汞（THg）和甲基汞（MeHg）的浓度较高[21]，表明这种栖息地中可能存在能够甲基化汞的微生物。微生物的汞甲基化过程依赖于和基因，这两个基因分别编码一种依赖于钴卟啉的甲基转移酶和一种铁氧还蛋白[3]。hgcB基因负责提供再生还原态hgcA钴卟啉辅因子所需的电子，而S-腺苷-L-甲基硫氨酸（SAM）作为甲基供体[22]。因此，携带基因的微生物的活性嵌入在调节Hg²⁺可用性、甲基供体供应和电子转移的更广泛细胞过程中[3], [23]。

  冰状沉积物中携带基因的微生物的多样性、转录活性及其代谢模式仍不明确。社区层面的基因谱系分析无法确定哪些谱系贡献了这些基因表达，也无法明确哪些协因子、甲基供体和氧化还原能力与基因共存于单个基因组中。利用宏基因组组装基因组（MAGs）和基因组级代谢模型（GEMs）进行的基因组解析分析可以将这些功能与特定的微生物谱系联系起来，并在特定模型约束下预测其代谢物吸收情况。针对海水、红树林沉积物和微生物垫的研究已经利用基因组解析和转录证据来研究潜在的汞甲基化微生物群体及其生理特性[24], [25], [26], [27]。同位素示踪测量结果[28]与基因组解析的转录数据相结合，有助于识别具有转录活性的微生物谱系及其伴随的生理能力。

  为了解决这些空白，我们在玉龙雪山第一白水冰川进行了为期8小时的原位HgCl₂干扰实验，并生成了干预前的宏基因组和干预后的宏转录组数据。测量的干预后总汞（THg）和甲基汞（MeHg）浓度为我们提供了以下方面的信息：(i) 描述潜在汞甲基化微生物的多样性和转录活性；(ii) 确定与甲基汞变化相关的协因子、甲基供体和电子转移能力。基因组解析分析研究了这些功能在携带基因的微生物谱系中的共存情况，同时通过实验年份的DNA招募数据评估了这些微生物在2023年冰川群落中的分布情况。这些分析将基因的转录活动与基因组层面的生理特性联系了起来。

  章节摘要

  原位实验和样本采集

  该原位实验于2023年9月24日在白水冰川（27°06′16″ N, 100°11′44″ E）表面进行（见图S1）。实验期间的平均气温为4.53 ± 1.44 °C（范围：1.64–7.89 °C），平均太阳辐射强度为160.7 ± 94.5 W/m²（范围：23.8–480.8 W/m²），平均相对湿度为86.4 ± 12.2%。实验时间为每天9:00至17:00（当地时间），期间气温为5.48 ± 0.93 °C（范围：2.93–6.87 °C）。

  干预前后不同处理单元中的总汞（THg）和甲基汞（MeHg）浓度

  干预后的总汞浓度与甲基汞浓度在所有30个处理单元中呈正相关（Spearman相关性系数ρ = 0.766，P < 0.001；见图1a）。测得的总汞浓度范围为0.611至30.988 μg/g干重，甲基汞浓度范围为0.486至9.645 ng/g干重（见表S2）。即使在控制了实验地点因素后（地点内相关系数ρ = 0.749，受限置换法P = 0.0002），以及当六个低于检测限（LOQ）的甲基汞观测值被统一设定为LOQ时（地点内相关系数ρ = 0.741，P = 0.0001；见表S4），这种相关性仍然存在。

  意义声明

  冰川储存了大气中的汞，但气候变化导致的冰川融化可能会将这些污染物重新释放到下游生态系统。然而，与冰川表面冰状沉积物中无机汞转化为有毒甲基汞相关的微生物谱系和代谢过程仍不明确。通过结合为期8小时的原位汞干扰实验、宏基因组学、宏转录组学、特征优先排序和基因组解析分析，本研究确定了这些微生物的分类学特征。

  作者贡献声明

  Zhiyuan Chen： 负责写作、审稿与编辑、方法学设计、数据整理。 Eric Capo： 负责写作、审稿与编辑、软件开发、方法学设计。 Shichang Kang： 负责写作、审稿与编辑、方法学设计。 Wei Zhang： 负责写作、审稿与编辑、方法学设计。 Guangxiu Liu： 负责写作、审稿与编辑、方法学设计。 Junming Guo： 方法学设计、实验设计、数据整理。 Shijin Wang： 负责写作、审稿与编辑、方法学设计、数据整理。 Yeteng Xu： 负责写作、审稿与编辑、初稿撰写。

  利益冲突声明

  作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系或个人关系：Binglin Zhang表示获得了中国国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们也声明没有任何可能影响本文研究结果的财务关系或个人关系。

  致谢

  本项研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42371156、42071099）、甘肃省科技重点项目（项目编号25JRRA491）以及中国科学院冰冻圈科学与冻土工程国家重点实验室的项目（项目编号CSFSE-ZQ-2401）的支持。

  Yeteng Xu|Zhiyuan Chen|Eric Capo|Shichang Kang|Junming Guo|Shijin Wang|Wei Zhang|Guangxiu Liu|Tuo Chen|Binglin Zhang