热带雨林（法属圭亚那）中白蚁及其相关原核生物对土壤汞的暴露

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Exposure of Termites and Associated Prokaryotes to Soil Mercury in a tropical rainforest (French Guiana)

　　

汞（Hg）污染是一个主要问题，尤其是在手工和小规模金矿开采加剧了该问题的热带地区，然而其对陆地动物的影响仍未得到充分研究。为了评估白蚁对汞的暴露，研究人员比较了来自法属圭亚那的土壤摄食者（Anoplotermes, Termes）和木材摄食者 Nasutitermes 体内的总汞（THg）、甲基汞（MeHg）及其相关微生物组，以及它们的巢穴和邻近土壤。相对于土壤和巢穴，土壤摄食者体内观察到14-19倍的THg富集，而Nasutitermes仅富集1.3-3倍。同样，甲基汞浓度在土壤摄食者中更高，在Anoplotermes中达到峰值，并在土壤摄入减少的属中降低。土壤摄食者肠道微生物组显示出比巢穴和邻近土壤更高的α多样性。qPCR（定量聚合酶链式反应）显示肠道中16S rRNA、Desulfobacterota-hgcA和merA的丰度高于土壤，其正相关性表明功能群存在密度依赖性变异。各部分的基因拷贝数与THg相关，但与体内甲基汞无关，而两种汞形态均影响细菌群落结构，并与16S rRNA OTU（操作分类单元）丰富度呈正相关。这些关系背后的机制尚不清楚。这是首次评估白蚁及其相关原核生物中汞甲基化微生物的多样性，揭示了与Desulfobacterota相关的甲基化微生物在土壤和巢穴中占主导地位，而与Bacillota相关的类群在肠道中占优势且具有显著的属特异性。这表明，凭借其高度多样性，等翅目（Isopteran）肠道代表了本土汞甲基化微生物的主要储存库。土壤摄食白蚁因其普遍存在和积累大量THg和MeHg的倾向，可能成为汞向更高营养级转移的通道，并可作为汞暴露的有效陆地生物指示剂。

**论文解读：热带雨林白蚁对土壤汞的暴露及其微生物组响应**

**研究背景与问题**
汞（Hg）污染是全球性环境问题，尤其在热带地区，手工和小规模金矿开采（ASGM）活动加剧了汞的释放。汞对水生生态系统和人类健康的影响已有广泛研究，但其对陆地动物，特别是土壤无脊椎动物的影响仍知之甚少。无脊椎动物是陆地生态系统重要的生物指示剂，在养分循环、生物控制等生态服务中扮演关键角色。作为初级消费者，它们是将污染物从环境传递到更高营养级的关键环节。法属圭亚那等亚马逊地区土壤本底汞含量较高，加之ASGM活动导致的森林砍伐和土壤侵蚀，可能进一步增加矿区附近汞浓度，对动物群和生态系统功能构成潜在风险。

白蚁（蜚蠊目：等翅目）是热带土壤大型动物区系的主要组成部分，生物量占比高，是重要的生态系统工程师。它们具有多样的取食策略（从木材到土壤摄食）和筑巢模式，这些行为差异可能影响其对汞的暴露。此前研究显示，土壤摄食白蚁体内的总汞浓度远高于周围土壤，且检测到具有高神经毒性和生物累积性的甲基汞。这表明白蚁及其微生物组可能参与了土壤无机汞的生物转化，但具体机制和涉及的微生物参与者尚不明确。因此，本研究旨在探究不同取食类群的白蚁如何与环境中的汞相互作用，并评估其肠道微生物组在汞形态转化和积累中的作用。

**研究方法概述**
本研究在法属圭亚那卡考村附近两个存在零星、低强度金矿活动的地点（Changement和Montagne Saint Michel）进行。研究人员采集了三个属（Anoplotermes、Termes和Nasutitermes）共11个地表白蚁巢穴、巢内白蚁以及邻近表层土壤（0-10厘米）样本。Anoplotermes和Termes属于土壤摄食者（前者为真正的土壤摄食者，后者为土壤-木材界面摄食者），而Nasutitermes主要为木材摄食者。研究主要采用以下技术方法：1. **汞浓度分析**：使用直接汞分析仪（DMA-80）测定总汞（THg），采用乙基化吹扫捕集-气相色谱-原子荧光光谱法（MERX-M）测定白蚁体内的甲基汞（MeHg）。2. **分子生物学分析**：通过实时定量PCR（qPCR）定量16S rRNA基因（细菌总丰度）、hgcA基因（汞甲基化潜力）和merA基因（汞抗性）。通过扩增子测序（16S rRNA基因V1-V3区）分析细菌群落多样性。3. **hgcAB基因簇分析**：使用特异性引物扩增并利用纳米孔GridIon平台测序hgcAB基因簇（预测汞甲基化功能），以评估潜在汞甲基化微生物的多样性。4. **统计分析**：使用R语言进行方差分析、相关性分析、PERMANOVA（置换多元方差分析）和线性判别分析（LDA）等，以检验不同属、不同生境（肠道、巢、土壤）间各参数的差异及关联。

**研究结果**
**3.1. 土壤、白蚁体及白蚁巢中的总汞浓度**
邻近白蚁群落的土壤样本THg平均浓度为348.1 ± 96.4 ng g^-1。Anoplotermes和Termes巢中的THg浓度与邻近土壤相似或更高，而Nasutitermes巢中的浓度显著较低。所有白蚁属的体内THg浓度均显著高于土壤和巢。在两个土壤摄食属之间，体内THg浓度相似，且显著高于Nasutitermes。三个生境（白蚁体、巢、邻近土壤）中任意两者间的THg浓度均无显著相关性。相对于土壤和巢的生物浓缩因子（BCF）在土壤摄食属中远高于木材摄食的Nasutitermes。

**3.2. 白蚁体内的甲基汞浓度**
白蚁体内甲基汞浓度范围为3.5至910.8 ng g^-1，属间存在差异：Nasutitermes显著低于两个土壤摄食属，而Anoplotermes显著最高。体内甲基汞浓度仅与同一白蚁体内的THg浓度相关，与其栖息地（巢和邻近土壤）的THg无关。体内甲基汞占THg的比例也是Anoplotermes最高。

**3.3. 白蚁肠道、巢及邻近土壤中细菌群落的丰度和多样性**
对于所有白蚁属，基于16S rRNA基因拷贝数定量的细菌密度在巢和邻近土壤间相似，且始终低于白蚁肠道。在肠道样本中，Termes和Nasutitermes的计数相似，且高于Anoplotermes。此外，16S rRNA基因拷贝数与THg呈显著正相关。两个土壤摄食白蚁的肠道细菌群落的OTU丰富度和多样性指数（香农指数和逆辛普森指数）均高于其巢和土壤。Nasutitermes的所有三个生境间多样性指数相似。不同属的肠道细菌群落间，两个土壤摄食白蚁的丰富度和多样性指数相似，且显著高于木材摄食的Nasutitermes。OTU丰富度指数与体内THg和甲基汞浓度均呈正相关。

细菌群落组成分析显示，土壤细菌群落相对均质，以变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和放线菌门（Actinobacteriota）为主。白蚁巢的文库中同样以这三个门为主，但酸杆菌门占比减少，放线菌门更丰富，尤其是在Anoplotermes巢中。相比之下，肠道细菌群落因多个在巢和土壤中缺失或占比较小的门（如Bacillota、拟杆菌门Bacteroidota、螺旋体门Spirochaetota、互养菌门Synergistota和未分类细菌）的过度表达而不同。基于OTU的PCoA（主坐标分析）和PERMANOVA证实了不同生境及不同白蚁属肠道细菌群落结构的显著差异。距离冗余分析（dbRDA）表明，THg浓度和体内甲基汞浓度显著影响微生物群落结构。

**3.4. 功能基因丰度及hgcAB基因多样性**
由于技术限制，hgcA基因仅能可靠地定量与Desulfobacterota相关的部分。因此，hgcA拷贝数应被视为跨生境Desulfobacterota相关功能基因丰度的比较指标，而非总汞甲基化潜力的全面估计。在两个土壤摄食白蚁属中，merA和Desulfobacterota-hgcA基因的拷贝数（绝对值或标准化为16S rRNA基因后）在巢和土壤间无显著差异，且始终低于肠道。在Nasutitermes中，Desulfobacterota-hgcA基因也呈现类似模式；而merA基因拷贝数在肠道中高于邻近土壤，但与巢无差异。在白蚁肠道间，merA拷贝数属间无显著差异；Desulfobacterota-hgcA基因的平均拷贝数和hgcA/16S rRNA比率在土壤摄食白蚁中高于Nasutitermes。merA、Desulfobacterota-hgcA和16S rRNA基因拷贝数三者间均显著正相关。跨生境的THg浓度与merA和hgcA拷贝数显著相关，而白蚁体内甲基汞浓度仅与merA呈弱相关，与hgcA无显著相关。

hgcAB基因簇在所有白蚁肠道样本中均成功扩增和测序。从所有生境中鉴定出的153个hgcAB OTUs归属于三个细菌门（Bacillota、Desulfobacterota、放线菌门Actinomycetota）、一个古菌门（Halobacteriota）和几个未分类谱系。hgcAB OTUs的累积数量在白蚁肠道中最高，其次是邻近土壤和白蚁巢。其归属因来源而异：土壤来源的hgcAB OTUs主要与Desulfobacterota相关，而白蚁肠道则以Bacillota为主。大多数hgcAB OTUs为单一生境特有，仅8个OTUs为三个生境所共享。在属水平上，尽管Bacillota在所有属的肠道hgcAB OTUs中均占主导地位，但OTUs表现出强烈的属特异性，仅2个OTUs为所有属共享，而大多数（84.9%）仅限于单个属。Anoplotermes肠道具有最高的hgcAB OTUs丰富度。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**
本研究首次揭示了不同白蚁属巢穴汞含量的种间差异，这反映了筑巢过程中对土壤汞及富汞组分的属特异性处理方式，从而影响土壤汞收支，并可能解释了亚马逊地区表层土壤汞的空间变异。通过体内THg和甲基汞评估汞暴露，显示从木材摄食者到土壤摄食者暴露风险递增，表明即使是亲缘关系较近的土壤动物类群，其暴露和风险也存在差异。饮食无疑是体内浓度的主要驱动因素，但白蚁肠道微生物组的组成以及由饮食塑造的参与汞形态转化的微生物类群的普遍存在，可能在汞的形态转化中起关键作用。土壤摄食白蚁既是汞污染最严重的白蚁类群，也是热带雨林中的主要营养类群，构成了众多无脊椎动物和脊椎动物的重要猎物基础。因此，它们可能构成了汞生物有效性和营养级转移的关键途径，使捕食者及相关食物网面临THg和甲基汞暴露、生物积累和生物放大的风险。

与栖息在研究区富汞土壤中的其他土壤无脊椎动物一样，白蚁及其肠道微生物组可能通过协同进化获得了耐受性，使其能够在慢性暴露下持续生存。由于缺乏低汞参照种群，本研究无法评估高汞体负荷对白蚁健康的影响。与来自低汞地点的相关物种进行比较，或使用神经毒性和遗传毒性生物标志物，可能有助于阐明这些影响。THg和甲基汞的体内浓度表明白蚁间的暴露差异，这很可能由取食和筑巢行为驱动。鉴于其高度多样性和生物量，土壤摄食白蚁有潜力作为陆地食物链中汞暴露的可靠生物指示剂。

**结论翻译**
研究人员得出结论：来自坍塌白蚁巢穴的物质会改变土壤结构和养分动态，对生物地球化学循环和生态系统功能产生有据可查的影响。本研究首次报告了白蚁巢汞含量的属间变异，其中Anoplotermes巢的汞浓度高于邻近土壤，Termes巢与土壤相似，而Nasutitermes巢则较低。这些差异可能反映了筑巢过程中对土壤汞和富汞组分的属特异性处理，从而影响土壤汞收支，并可能促成了亚马逊地区表层土壤汞的空间变异。通过体内THg和甲基汞评估汞暴露，显示从木材摄食者到土壤摄食者暴露增加，表明即使在密切相关的土壤动物类群中，暴露和风险也存在差异。虽然饮食汞无疑是体内浓度的主要驱动因素，但白蚁肠道微生物组的组成以及由饮食塑造的参与汞转化的微生物类群的普遍存在，可能在汞的形态转化中起关键作用。土壤摄食者既是汞污染最严重的白蚁，也是热带雨林中的主要营养类群，构成了众多捕食者的重要猎物基础。因此，它们可能成为汞生物有效性和营养级转移的关键途径，使捕食者及相关食物网面临THg和甲基汞暴露、生物积累和生物放大的风险。与栖息在富汞土壤中的其他土壤无脊椎动物一样，白蚁及其肠道微生物组可能通过协同进化获得了耐受性。体内THg和甲基汞浓度表明白蚁间的暴露差异，可能由取食和筑巢行为驱动。如果得到证实，鉴于其高度多样性和生物量，土壤摄食白蚁可作为陆地食物链中汞暴露的可靠生物指示剂。