评估修复处理对减少污染土壤水稻中甲基汞积累的效果

《Environmental Technology & Innovation》：Evaluating the amendment treatments for reducing methylmercury accumulation in rice cultivated on contaminated soils

　　

缓解土壤-水稻系统中甲基汞（MeHg）污染对于降低通过大米消费导致的MeHg暴露风险至关重要。一些非生物和生物处理在实验室实验中可调控MeHg的产生及其在水稻中的后续转运；然而，这些策略如何缓解土壤-水稻系统中的MeHg污染仍不清楚。本研究开展了一系列盆栽实验，以探究硫醇化合物青霉胺（PEN）和2,3-二巯基-1-丙磺酸（DMPS）、干湿交替灌溉（AWD）以及MeHg降解菌株（甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b）的修复处理对土壤和水稻中MeHg积累的影响，以及土壤汞（Hg）甲基化微生物对这些修复处理的响应。结果表明，DMPS、AWD和OB3b处理分别使水稻籽粒中的MeHg浓度显著降低了43.1%、50.9%和43.6%，而PEN修复处理对水稻中MeHg积累无显著影响。同时，DMPS和OB3b处理分别使非根际土壤中的MeHg浓度有效降低了35.4%和50.9%。此外，DMPS、PEN和OB3b处理显著降低了非根际土壤中Hg甲基化（hgcA⁺）的Deltaproteobacteria丰度。修复处理和土壤生态位显著影响hgcA⁺微生物群落结构，而Geobacteraceae始终是优势分类群。这些结果为减少水稻中MeHg积累的有效策略及其对Hg甲基化群落的影响提供了有价值的见解，从而有助于最大限度地减少通过大米消费导致的膳食MeHg暴露。

评估修复处理对减少污染土壤水稻中甲基汞积累效果的论文解读

甲基汞（MeHg）是一种具有强生物累积和生物放大效应的高毒性化合物，通过大米消费是人体MeHg暴露的重要途径。水稻中MeHg主要来源于土壤吸收，因此减少土壤中MeHg积累和水稻对MeHg的吸收是控制风险的关键。长期淹水的稻田土壤形成厌氧或缺氧环境，有利于携带hgcAB基因的微生物进行汞（Hg）甲基化；同时，去甲基化过程也影响土壤MeHg的净积累。已有纯培养实验表明，硫醇化合物青霉胺（PEN）、2,3-二巯基-1-丙磺酸（DMPS）、干湿交替灌溉（AWD）以及MeHg降解菌株甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b可调控MeHg的产生与转运，但这些策略在真实土壤-水稻系统中的效果及对Hg甲基化微生物的影响仍不清楚。为此，研究人员开展了系列水稻盆栽实验，系统评估了四种修复处理（PEN、DMPS、AWD和OB3b菌株）对MeHg在土壤-水稻系统中积累的影响，并分析了根际和非根际土壤中Hg甲基化微生物群的响应。该研究论文发表于《Environmental Technology》。

研究人员采用模拟水稻盆栽实验，土壤采自湖北省武汉市华中农业大学实验稻田（0–20 cm），水稻品种为中华11号（Oryza sativa L. Zhonghua 11）。实验设置六个处理：仅种植水稻（CT）、添加MeHg（MeHg）、MeHg+PEN、MeHg+DMPS、MeHg+AWD、MeHg+OB3b，每处理三个重复。收获期（120天）采集水稻根、茎、叶、籽粒和谷壳，并分别采集根际和非根际土壤。MeHg浓度测定采用冷蒸气原子荧光光谱法（CVAFS）；土壤DNA提取后，采用定量PCR（qPCR）分析古菌和Deltaproteobacteria的hgcA基因丰度，利用Illumina MiSeq平台对hgcA基因扩增子测序，基于Hidden Markov Model和Hg-MATE-Db数据库进行物种注释。统计方法包括方差分析（ANOVA）、主坐标分析（PCoA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）、随机森林（RF）和Spearman相关分析。

**修复处理对水稻和土壤中MeHg积累的影响**

通过测定各处理水稻组织样品的MeHg浓度，研究发现所有添加MeHg的处理均增加了水稻组织中的MeHg积累。与仅添加MeHg的未修复处理相比，DMPS、AWD和OB3b处理分别使籽粒中MeHg浓度显著降低43.1%、50.9%和43.6%，而PEN处理未表现出显著抑制效果。在谷壳中，仅OB3b处理显著降低了MeHg含量；在根和茎中，DMPS、AWD和OB3b处理均显著降低了MeHg水平，与籽粒结果一致；叶片中MeHg水平在各修复处理间无显著差异。土壤分析结果显示，DMPS和OB3b处理分别使非根际土壤中MeHg浓度降低35.4%和50.9%，而所有修复处理对根际土壤MeHg浓度均无显著影响，且根际和非根际土壤之间未检测到显著差异。

**汞甲基化微生物对修复处理的响应**

通过对hgcA基因的定量和扩增子测序分析，研究发现古菌hgcA基因丰度在各处理间变化较为有限，而Deltaproteobacteria-hgcA丰度对修复处理的响应更为敏感。在非根际土壤中，PEN、DMPS和OB3b处理显著降低了Deltaproteobacteria-hgcA丰度，AWD处理则显著增加了根际土壤中的该丰度。群落结构分析显示，修复处理和土壤生态位均显著影响hgcA⁺微生物的群落结构，但两者无显著交互作用；物种丰富度（OTU丰富度）在各处理和生态位间无显著差异。在门水平上，Desulfobacterota是最优势的门，占相对丰度的78.6%–89.6%；在科水平上，Geobacteraceae占72.1%–86.7%，持续保持优势地位。Spearman相关分析表明，在未修复处理（CT和MeHg）中，某些Hg甲基化分类群（如Methanocellaceae）与土壤MeHg浓度呈显著正相关；而在修复处理下，这些正相关关系减弱，并出现更多负相关。随机森林分析识别出Desulfobulbaceae、Methanosarcinaceae、Methanospirillaceae和p_Nitrospirae_unclassified作为预测土壤MeHg浓度的指示分类群。

在讨论部分，研究人员总结了各处理的作用机制：DMPS因其分子中两个邻位巯基（-SH）对MeHg具有强螯合能力，改变了MeHg的化学形态并降低了其植物可利用性，同时可能减少了Hg(II)对甲基化微生物的可用性；PEN形成的MeHg复合物热力学稳定性较低，且在复杂土壤环境中其效果受到限制。OB3b菌株依赖有氧环境，其降解MeHg的功能与增强根表铁斑形成共同作用，抑制了MeHg在稻株内的积累；AWD处理也通过增加根际氧含量促进铁斑形成，但未显著降低土壤MeHg净含量。修复处理对hgcA基因丰度的影响因微生物类群而异，古菌表现出较高的环境稳定性，而Deltaproteobacteria响应更明显。尽管Geobacteraceae在群落中占优势，但它并非预测土壤MeHg水平的关键类群，表明hgcA⁺微生物的相对丰度并不直接反映其Hg甲基化能力。OB3b接种还可能通过改变群落结构来调节Hg甲基化微生物群。研究人员还指出本研究的局限性：实验土壤采自非Hg污染稻田，可能与自然污染稻田在有效Hg浓度、微生物群落结构及土壤理化性质上存在差异；未监测OB3b接种后的存活和长期活性；AWD对灌溉条件有较高要求等。

研究结论部分可翻译如下：本研究通过盆栽实验评估了四种修复策略在土壤-水稻系统中的效果，包括添加硫醇化合物DMPS和PEN、干湿交替灌溉管理以及接种MeHg降解菌株OB3b，并考察了它们对根际和非根际土壤中Hg甲基化微生物的影响。结果表明，DMPS添加、干湿交替和接种OB3b菌株分别使水稻籽粒中MeHg浓度有效降低了43.1%、50.9%和43.6%，而PEN处理对籽粒MeHg积累无显著影响。这些降低表明DMPS、AWD和OB3b接种是限制水稻潜在膳食MeHg暴露的有前景的策略。在水稻收获期，修复处理对根际土壤MeHg浓度无显著影响，而DMPS添加和OB3b接种有效降低了非根际土壤MeHg浓度，且根际和非根际土壤之间无显著差异。因此，修复效果