中国沿海湿地土壤甲基汞积累与植物、土壤及 hgcA 相关微生物模块的位点特异性关联

《Journal of Hazardous Materials》：Site-specific associations between soil methylmercury accumulation and plant, soil, and hgcA-associated microbial modules across Chinese coastal wetlands

　　

摘要

沿海湿地可滞留汞（Hg），但与甲基汞（MeHg）积累相关的因素在不同系统中可能存在差异。我们在七个中国沿海湿地的105个样地进行了采样，测量了总汞（THg）、MeHg、土壤性质、植物属性以及与hgcA相关的微生物群落。我们计算了表观汞甲基化率（%MeHg = 100 × MeHg/THg），并利用排序分析、PERMANOVA、贝叶斯层次模型、方差分区和样地内回归方法考察了各样地特有的关联关系。THg、MeHg和%MeHg呈现不同的空间格局。闽江口THg最高而%MeHg最低；盐城THg和MeHg均较低但%MeHg较高。在盐城，较高的甲基化率部分反映了其THg分母较低的情况，并不表明绝对MeHg含量高或甲基化速率升高。在控制样地效应后，植物和土壤模块各自对%MeHg保留了8.9%的独立校正解释份额；植物模块对MeHg保留了14.4%的独立份额。与hgcA相关的微生物模块未贡献正向独立校正解释份额（%MeHg为?0.5%；MeHg为?2.0%）。样地内关联关系在不同湿地和不同响应变量之间各不相同，且仅有部分关联通过了FDR校正。仅凭THg不能替代MeHg积累量或相对富集程度的表征。这些关联关系应在过程研究中加以检验；本研究并未确立因果控制关系或量化生态风险。

引言

汞是一种全球性污染物，可长距离传输并在大气、水体和土壤之间循环[1], [2]。其环境风险更多地取决于汞形态在土壤、沉积物和水体中的转化过程，而非仅仅取决于存在的总量[1], [2]。在这些形态中，甲基汞（MeHg）因其强神经毒性、高生物有效性和在食物链中显著的生物放大效应，构成最大的生态和人体健康隐患[1], [3]。湿地土壤和沉积物富含有机质、具有周期性淹没和低氧条件，为厌氧微生物汞甲基化提供了适宜的环境[4], [5]，这也是沿海湿地沉积物被广泛认为是MeHg形成重要场所的原因[4], [5]。

hgcAB基因簇的发现大幅推进了该领域研究，使得在功能基因水平追踪潜在的汞甲基化微生物成为可能[6], [7]。尽管如此，测得的土壤MeHg浓度是采样时刻的净存量，而非总甲基化速率：它整合了甲基化与脱甲基化以及吸附、保存和迁移过程，因此不能仅归因于携带hgcA基因的微生物[3], [4], [8]。《水俣公约》下的全球治理已遏制了汞排放和产品使用，但局部MeHg的生产、迁移和暴露仍受样地特有的环境过程控制[1], [2]。

中国沿海湿地沿南北海岸线连续分布，包括红树林、盐沼、潮间带和河口系统，其气候、水文连通性、盐度、有机质来源、植被和人类干扰程度均存在显著差异[9], [10]。这些土壤是已知的THg重要储库和潜在的MeHg热点区域，不同区域和植被类型间的THg、MeHg及甲基化程度差异显著[11]。植物凋落物中的活性有机质可增强沉积物中MeHg的净生成量[12]，盐度和pH可改变甲基化程度[11]，MeHg浓度常与有机质相关参数及汞甲基化微生物群落协同变化——硫酸盐还原菌及其共生的非甲基化伙伴似乎共同塑造了MeHg动态[13]。综合来看，这些研究指出植物、土壤和微生物过程是湿地汞转化的紧密关联驱动因子。缺失的是系统性比较：现有大多数研究仅考察单一区域、单一植被类型或局部红树林或盐沼系统，而非在中国沿海湿地全南北分布范围内，以统一的样地尺度整合土壤、植物、hgcA微生物和汞形态数据。因此，目前尚不清楚在不同湿地类型间，MeHg存量和MeHg相对富集程度是否共享一组共有的关联协变量，还是这些关联本质上具有样地特异性。

我们选取了涵盖中国南部至北部的七个典型沿海湿地，测量了THg和MeHg浓度，计算了表观汞甲基化率，并表征了土壤理化性质、植物群落属性以及与hgcA相关的微生物组成。这些湿地在气候、水文和植被上先验差异显著，因此样地间异质性本身不被视为新发现。利用统一的样地级框架，我们考察了三个问题：（I）THg、MeHg和%MeHg是否呈现一致的空间格局；（II）土壤、植物及与hgcA相关的微生物模块是否对MeHg和%MeHg提供了等效的统计信息；（III）是否有任何测量协变量在不同湿地间表现出一致的样地内关联。我们假设THg、MeHg和%MeHg不会同步变化，土壤模块对%MeHg的解释度大于对MeHg的解释度，植物属性与MeHg的关联更强，而与hgcA相关的微生物属性将提供互补信息。对于第三个问题，跨湿地的重复性通过样地内关联的方向和统计支持度来评估，而非仅从地理分异推断。我们比较了三个汞指标端点，量化了土壤、植物及与hgcA相关的微生物模块的总解释份额和独立解释份额，并识别了样地内关联因素。这些分析提供了关于汞存储、土壤MeHg积累和MeHg相对富集程度的样地分辨描述。它们也为后续过程研究和暴露研究中应直接检验的变量生成了假设。本分析并非旨在确立因果驱动因子、经验证的风险指标、样地排名或管理优先级。活性或生物有效无机Hg(II)、孔隙水Hg和MeHg、水文输出通量、原位甲基化和脱甲基化速率、生物暴露、生物蓄积以及毒性终点均在本研究范围之外。

章节摘要

研究区域与样地设计

本研究在中国沿海选取了七个典型沿海湿地。这些样地包括东寨港（DZG）、涨江口（ZJK）、闽江口（MJK）、杭州湾（HZ）、盐城（YC）、黄河三角洲（HH）和辽河口（LHK）。七个湿地的野外调查和采样均在2018年6月至8月的同一次野外工作中完成。具体样地采样日期和潮汐阶段信息不可用，且未在跨季节或跨潮汐阶段进行重复采样。

七个沿海湿地土壤THg、MeHg和%MeHg的空间格局

在本研究中，每个沿海湿地设15个样地，共计105个样地（图1，表1）。土壤THg、MeHg和%MeHg在样地间存在差异，但其空间排序并不一致（图2，表2）。THg中位数浓度从盐城的5.72 μg kg^-1干土到闽江口的101.01 μg kg^-1干土不等。MeHg中位数浓度在杭州湾最高（0.487 μg kg^-1干土），其次是辽河口（0.438 μg kg^-1干土）和黄河三角洲（0.436 μg kg^-1干土），在东寨港最低（0.148

沿海湿地土壤THg、MeHg和表观汞甲基化率的空间差异

七个沿海湿地中THg、MeHg和%MeHg的空间格局并不同步（图2）。闽江口THg浓度最高但%MeHg最低，而盐城THg和MeHg浓度均较低但%MeHg较高（图2A–C）。由于%MeHg按100 × MeHg/THg计算，盐城的该值部分反映了其THg分母较低的情况：相对于其他六个样地，盐城的THg比例下降幅度远大于MeHg。因此盐城的高%MeHg代表的是相对

结论

在七个中国沿海湿地中，THg、MeHg和衍生%MeHg比呈异步变化，证实了汞储量、MeHg积累和MeHg相对富集是不可互换的量。在控制样地效应后，植物和土壤对%MeHg的贡献相当（各8.9%），而植物对MeHg保留了最大的独立解释份额（14.4%）。在与样地及其他模块一起考虑后，与hgcA相关的微生物模块未贡献正向独立解释份额

作者贡献声明（CRediT）

刘微微：方法论、调查研究、数据管理。潘旭：方法论、调查研究、概念化。谭跃辰：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、形式化分析、数据管理、概念化。龙松源：方法论、调查研究、数据管理。胡玉昆：撰写——审阅与编辑、调查研究、数据管理。崔丽娟：撰写——审阅与编辑、监督。张满印：撰写——审阅与编辑、监督，

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可能影响本论文所报告工作的情况。

致谢

本研究得到中国国家重点研发计划（2022YFF1301003-02，2017YFC0506205）资助。

利益声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告工作的情况。

谭跃辰 | 刘微微 | 潘旭 | 龙松源 | 胡玉昆 | 崔丽娟 | 张满印

国家湿地保护与恢复重点实验室，北京市湿地服务与恢复重点实验室，中国林业科学院生态保育与恢复研究所，北京 100091，中国