【摘要】：重金屬汞(Mercury,Hg)是可長距離傳輸的全球性污染物,具有毒性強,易生物富集等特點。甲基汞(Methylmercury,MeHg)是已知所有Hg形態(tài)中毒性最強的有機化合物,可以通過食物鏈進入生物體內累積并放大,嚴重危害人類的健康。目前已知Hg礦區(qū)居民日常食用的稻米是MeHg暴露的主要途徑,且水稻土也被證實是陸地生態(tài)系統中產生MeHg含量最多的場所之一。因此,如何降低Hg礦區(qū)稻米中MeHg的含量已經成為一個亟需解決的問題。然而,水稻土中MeHg的產生與累積機制仍不清楚。本研究以典型Hg礦區(qū)水稻土為對象,研究Hg轉化相關的微生物功能基因(hgcA、dsrA、dsrB、mcrA、pmoA)分布特征,通過野外調查與室內培養(yǎng)相結合的方法,較系統地開展了水稻土中MeHg積累的微生物學機制研究。首先,采集我國典型Hg礦區(qū)的土壤樣品,分析Hg礦區(qū)土壤中總汞(Total Mercury,THg)、MeHg分布特征,探索影響土壤MeHg積累的關鍵因素,并篩選出具有較高MeHg含量的水稻土,作為后續(xù)培養(yǎng)實驗的材料。其次,通過室內添加功能微生物抑制劑培養(yǎng)實驗探究水稻土微生物群落對MeHg降解的相對貢獻,并探討水稻土MeHg、Hg甲基化微生物功能基因豐度及細菌群落組成之間的關系。最后,研究典型施肥管理措施對土壤MeHg積累影響,以初步明確施肥對水稻土MeHg積累的影響機制。本研究的結果可為揭示稻田土壤中MeHg積累的主控因子,為稻田土壤MeHg污染修復提供理論依據。主要研究結果如下:(1)本實驗采集土壤所在地為我國典型Hg礦區(qū)。如貴州Hg礦區(qū)的萬山(WS)、銅仁(TR)及湖南Hg礦區(qū)的齊梁橋(QLQ)、新場鄉(xiāng)(XCX)、茶田(CT),共5個區(qū)域的旱地土壤和稻田土壤樣品共47個。分析了土壤樣品中THg和MeHg含量特征,并運用定量PCR的方法檢測各土壤樣品中Hg甲基化功能基因hgcA的豐度。得出結果表明,土壤中MeHg含量與THg含量呈極顯著正相關性(P0.01),且各取樣點中,水稻土樣品中MeHg的含量普遍高于旱地土。定量PCR的結果表明,旱地土壤樣品中幾乎檢測不到hgcA的存在;而水稻土壤樣品中古菌hgcA的豐度明顯高于細菌,且與MeHg的含量顯著相關(R~2=0.05,P0.05),由此可見,古菌可能在礦區(qū)水稻土的Hg甲基化過程中起到了重要作用。這些結果表明微生物群落可能對水稻土中MeHg積累具有重要的影響。(2)在探明上述典型Hg礦區(qū)土壤中MeHg特征后,選擇MeHg濃度較高的湖南桃源水稻土作為后續(xù)培養(yǎng)實驗的材料。選擇兩種微生物抑制劑鉬酸鈉(Na_2MoO_4,硫酸鹽還原菌抑制劑)及2-溴乙基磺酸鈉(Bromoethanesulfonicacid,BES,產甲烷菌抑制劑),通過淹水(Y)的培養(yǎng)實驗來研究上述典型微生物對水稻土MeHg積累的影響。此外,通過有氧(H)條件下添加甲烷氧化菌抑制劑(CuCl_2)培養(yǎng)實驗,探究好氧的甲烷氧化菌在水稻土MeHg去除中的潛在作用。淹水的厭氧菌培養(yǎng)實驗設置了三個處理,即不添加抑制劑的對照組(CY)、分別添加MoO_4~(2-)(M)和BES(B)的處理;有氧添加Cu~(2+)的培養(yǎng)實驗設置了不添加Cu~(2+)(CH)和添加Cu~(2+)(Cu)的兩個處理。以上各處理均在25℃條件下避光培養(yǎng),在第0、2、4、7、14、30、60、120、150 d取樣,測定土壤MeHg的含量,并檢測培養(yǎng)第0、60、120 d土壤樣品中甲基化功能基因豐度和細菌群落組成。淹水添加厭氧菌抑制劑的實驗結果表明:添加抑制劑的M處理中,MeHg的含量與CY相比均沒有顯著差異(P0.05);hgcA豐度在M處理中培養(yǎng)120d時顯著低于0,60 d(P0.05),而CY中無明顯變化;在屬水平聚類分析發(fā)現,M與CY處理細菌群落組成沒有明顯變化。添加抑制劑B處理中MeHg的含量在第14、120、150 d時顯著高于CY(P0.05),B處理中mcrA基因的豐度呈逐漸降低的趨勢,120 d時顯著低于0、60 d(P0.05);在屬水平上聚類分析顯示,B處理中Azospirillum菌屬的相對豐度高于CY。有氧添加Cu~(2+)的培養(yǎng)結果表明:Cu處理中MeHg的含量在0~120 d期間顯著低于CH(P0.05);Cu處理中功能基因的豐度(除hgcA外)在60、120 d時顯著低于0 d,CH處理則無明顯變化;Cu處理樣品中變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)的相對豐度均高于CH;在屬水平聚類分析發(fā)現,Dyella菌屬在Cu處理中大量富集,而CH中卻沒有檢測到。(3)在基本探明上述水稻土中MeHg積累的特征后,通過施加氮肥(NH_4Cl、NaNO_3)培養(yǎng)實驗來考察農業(yè)管理措施對該水稻土中MeHg積累的影響。設置了淹水(Y)和有氧(H)兩種培養(yǎng)條件,各培養(yǎng)條件下均設置不添加氮素的對照,添加銨氮及硝態(tài)氮的三個處理。即,淹水不加氮(CY),淹水加銨氮(NHY),淹水硝態(tài)氮(NOY),有氧不加氮(CH),有氧加銨氮(NHH),有氧加硝氮(NOH),共六個處理。各處理在25℃避光培養(yǎng)150 d,在培養(yǎng)的0、2、4、7、14、30、60、120、150 d取樣,測定土壤中MeHg的含量,并檢測培養(yǎng)第0、60、120 d土壤樣品中甲基化功能基因豐度。實驗結果表明:淹水條件下三個處理(CY、NHY和NOY)中MeHg含量均隨著培養(yǎng)時間的延長而逐漸降低,且各處理在多數取樣點MeHg含量均無顯著差異;dsrB豐度在CY和NHY處理中在培養(yǎng)120 d時均顯著低于0 d(P0.05),dsrA豐度在CY和NOY處理中在培養(yǎng)120 d均顯著高于0 d(P0.05)。有氧條件下各處理土壤中MeHg含量在120 d時降至最低,之后(150d)又小幅度增加;培養(yǎng)60 d時,NHH處理中dsrA、dsrB、pmoA豐度均顯著高于0 d,而CH中無明顯變化;培養(yǎng)120 d時,NOH和CH處理中hgcA豐度均顯著低于0 d(P0.05),而dsrA、dsrB、mcrA、pmoA豐度均無明顯變化。
【圖文】：

圖 4-5 培養(yǎng)第 60 d 和第 120 d 不同處理中主要菌屬相對豐度熱圖（>20%）Fig.4-5 Heatmap showing the relative abundances of the dominating bacterial in different soiltreatments at day 60 and 120 (>20%)注：C0表示0 d樣品中細菌群落組成；CY60、M60、B60表示60 d樣品中細菌群落組成；CY120M120、B120 表示 120 d 樣品中細菌群落組成有氧條件下添加 Cu2+培養(yǎng)，不同時期土壤樣品基于屬水平的細菌群落結構下圖 4-6 所示。從熱圖中可以看出，Cu 土壤樣品中相對豐度較高的菌屬主要是氏菌屬（Dyella）。在 120d 時，Cu 樣品中出現了少數的熱酸菌屬（Acidothermus）梭菌屬（Clostridium_sensu_stricto_1），而 CH 中卻沒有檢測到。由此可以初步出，添加 Cu2+培養(yǎng) 120 d 后，在一定程度上影響了土壤中細菌的群落組成。

33圖 4-6 Cu2+處理土壤樣品主要菌屬相對豐度熱圖（>20%）Fig.4-6 Heatmap showing the relative abundances of the dominating bacterial at Cu2+treatment(>20%)注：C0 表示 0 d 樣品中細菌群落組成；CH60、Cu60 表示 60 d 樣品中細菌群落組成；CH120、Cu120 表示 120 d 樣品中細菌群落組成4.3 討論本研究中，淹水條件下添加硫酸鹽還原菌抑制劑鉬酸鹽、產甲烷菌抑制劑 BES后，和對照組相比，土壤中的 MeHg 含量沒有顯著差異（P > 0.05）；在培養(yǎng)后期，添加抑制劑組中 MeHg 的含量高于對照組，可能是因為隨著抑制劑濃度的減弱，汞甲基化微生物又重新結合 Hg2+形成 MeHg。定量 PCR 的結果顯示，添加鉬酸鹽后，dsrA 和 dsrB 基因的拷貝數與對照組相比無顯著差異，，但 dsrB 基因的豐度在第
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S154.3;X53;S511

【參考文獻】

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本文編號：2708633