汞污染對(duì)土壤微生物組的長(zhǎng)期和短期影響

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:盡管汞（Hg）對(duì)環(huán)境中的生物體具有毒性，但對(duì)其對(duì)土壤微生物組的影響知之甚少，尤其是其對(duì)慢性效應(yīng)的影響。在這里，我們?cè)u(píng)估了長(zhǎng)期污染土壤中的汞對(duì)細(xì)菌和真菌群落的影響，以及從無(wú)污染到高污染的污染梯度。在微觀世界實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步評(píng)估具有不同歷史Hg污染水平的這些土壤中微生物群落的短期反應(yīng)（30天），其中土壤摻入或不摻入溶解的HgCl2。結(jié)果顯示長(zhǎng)期汞污染對(duì)細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的明顯影響，但僅觀察到其活動(dòng)（基礎(chǔ)呼吸和生長(zhǎng)速率）的弱影響。沒有觀察到Hg對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和活動(dòng)的短期影響。來(lái)自Chthoniobacteraceae（細(xì)菌）和Trichosporon（真菌）的分類群與高Hg污染的土壤相關(guān)，這意味著它們具有耐受土壤中Hg的能力。在短期和長(zhǎng)期暴露于汞期間，汞還原酶（merA）基因拷貝的豐度隨著土壤中汞濃度的增加而增加，這表明微生物細(xì)胞內(nèi)的潛在機(jī)制能夠耐受土壤中較高量的汞

論文ID

原名：Long- and short-term effects of mercury pollution on the soil microbiome

譯名：汞污染對(duì)土壤微生物組的長(zhǎng)期和短期影響

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：5

發(fā)表時(shí)間：2018.1

通信作者：Beat Frey

通信作者單位：Swiss Federal Research Institute WSL,Switzerland

實(shí)驗(yàn)方法

1.長(zhǎng)期汞污染土壤：現(xiàn)場(chǎng)取樣

在瑞典Raron鎮(zhèn)（46°18'10.6“N，7°48'34.2”E）附近的田地中收集土壤，據(jù)報(bào)道有高汞污染。這種污染來(lái)自Grossgrundkanal，它從這條運(yùn)河上游的工業(yè)廢物中釋放出大量的汞。然后，來(lái)自Grossgrundkanal的沉積物用于壓平和改善牧場(chǎng)的河流土壤，并放置在這些河流土壤上。這導(dǎo)致沿著Grossgrundkanal的Hg污染梯度，Hg土壤濃度隨著遠(yuǎn)離運(yùn)河的距離而減小。沿著Hg污染梯度在3個(gè)不同水平的汞中共采集了12個(gè)土壤樣品

1）高汞污染，

2）中度汞污染，

3）低汞污染。

2.短期汞污染土壤：添加汞

沿著Hg污染梯度在田間收集的土壤樣品在摻有（+ Hg）或不含（-Hg）Hg的微觀世界中孵育，以測(cè)試Hg對(duì)土壤微生物組的遺留效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.土壤理化參數(shù)

在汞高污染地點(diǎn)，總汞達(dá)到平均36.1±2.4 mg的Hg /g干燥土壤，在中度污染地區(qū)降低10倍，在低污染降低100倍。與總Hg相比，水中可提取的Hg相對(duì)較低;高污染和中度污染場(chǎng)地為0.19％，低污染場(chǎng)地為0.8％（自然背景）。然而，可溶性Hg在田間位點(diǎn)中顯示出類似的降低。高污染場(chǎng)地比中度和大約10倍高。比低值高35倍。沿著梯度的pH值在采樣區(qū)域內(nèi)略微增加，但差異不顯著。各站點(diǎn)的總C和N含量相似。然而，與中等位點(diǎn)相比，低污染位點(diǎn)的有機(jī)碳濃度較低。同樣，土壤質(zhì)地（即沙子，淤泥和粘土的相對(duì)含量）在低污染地點(diǎn)略有不同，沙子濃度較高，淤泥和粘土濃度較低。

2.微生物活動(dòng)和豐度

與中等和低污染地點(diǎn)相比，基于土壤的二氧化碳排放量測(cè)量的基礎(chǔ)呼吸在高汞污染地點(diǎn)傾向于增加（圖1A），然而，在現(xiàn)場(chǎng)沒有觀察到顯著差異。與對(duì)照（無(wú)Hg）土壤相比，短期（微觀世界）添加Hg不影響基礎(chǔ)呼吸，并且Hg-加量（+ Hg）的土壤顯示出相似的呼吸速率（圖1A）。不同地區(qū)的細(xì)菌豐度沒有顯著差異，但受Hg短期影響的影響，隨著Hg的添加而減少（圖1B）。觀察到真菌豐度的類似趨勢(shì)，但這些變化不明顯（圖1C）。沿梯度的位點(diǎn)之間的細(xì)菌和真菌生長(zhǎng)速率相似（圖1D和E）。在細(xì)菌或真菌生長(zhǎng)速率中未檢測(cè)到Hg的顯著短期效應(yīng)。

圖1：基礎(chǔ)呼吸。（A）：細(xì)菌豐度。（B）：真菌豐度。（C）：細(xì)菌生長(zhǎng)和（D）真菌生長(zhǎng)。（E）在土壤中沿著Hg污染梯度從田間（深灰色）和土壤中進(jìn)行短期實(shí)驗(yàn)（-Hg：白色，+ Hg：淺灰色）。

3.細(xì)菌和真菌的多樣性

檢索到總共1,052,753個(gè)細(xì)菌和686044個(gè)真菌序列，并在過(guò)濾后保留466617個(gè)細(xì)菌和405327個(gè)真菌序列。在36個(gè)樣品中從這些序列中回收了6939個(gè)細(xì)菌和1220個(gè)真菌OTU。三個(gè)地點(diǎn)的細(xì)菌和真菌群落由田間的汞污染構(gòu)成，每個(gè)地點(diǎn)聚集在一起并相互分離（圖2）。這些觀察結(jié)果通過(guò)方差的排列分析得到證實(shí)。在細(xì)菌或真菌群落結(jié)構(gòu)上沒有觀察到添加Hg的短期影響，有或沒有Hg微觀世界中的微生物群落結(jié)構(gòu)與田間樣本的群落結(jié)構(gòu)聚集在一起（圖2）。與低污染地點(diǎn)相比，高和中等污染地點(diǎn)的細(xì)菌和真菌豐富度（OTU數(shù)量）和香農(nóng)多樣性增加。在細(xì)菌或細(xì)菌或真菌多樣性的微觀世界中沒有檢測(cè)到添加Hg的短期影響。

圖2：來(lái)自坐標(biāo)的典型分析中呈現(xiàn)的Hg污染梯度的取樣點(diǎn)的細(xì)菌（A）和真菌（B）群落結(jié)構(gòu)的β多樣性。

4.耐汞或敏感的細(xì)菌和真菌類群

總共245個(gè)細(xì)菌OTU與Hg污染位點(diǎn)顯著相關(guān)（P <0.05），其中168個(gè)與高和/或中度Hg污染位點(diǎn)呈正相關(guān)和63個(gè)呈負(fù)相關(guān)（圖3）。然后我們將那些168個(gè)正相關(guān)的OTU視為耐Hg，將那63個(gè)負(fù)相關(guān)的OTU視為Hg敏感的。另外14個(gè)OTU被認(rèn)為是“versatiles”，與Hg污染位點(diǎn)正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。對(duì)Hg有反應(yīng)的細(xì)菌OTU分布在不同的門中（圖3），并且在Hg耐受性和它們的分類學(xué)分類之間沒有觀察到一般模式。大多數(shù)耐汞的OTU屬于Proteobacteria（25.4％的細(xì)菌Hg耐受性O(shè)TU）,Verrucomicrobia（17.1％）,Planctomycetes（13.1％）,Actinobacteria（3.2％）和Bacteroidetes（2.1％）。最豐富的耐Hg細(xì)菌OTU屬于Rhodobiaceae（7.7％的Hg耐受性細(xì)菌OTU，圖3）和Chtoniobacteroidetes（14.9％的細(xì)菌Hg耐受性O(shè)TU）。Hg敏感的細(xì)菌OTU僅代表26％的細(xì)菌OTU與高和中度汞污染的位點(diǎn)顯著相關(guān)。

總共57個(gè)真菌OTU與Hg污染位點(diǎn)顯著相關(guān)（p <0.05），其中50個(gè)為高（Hg-耐受），7個(gè)（Hg-敏感）與高和/或中等Hg污染位點(diǎn)相關(guān)（圖3）。耐汞的真菌OTU屬于Ascomycota門（62.1％的真菌Hg耐受性O(shè)TU）和Basidiomycota門（25.6％;圖3）。在最豐富的真菌Hg耐受性O(shè)TU中，Trichosporon sp.與高度和中度汞污染的地點(diǎn)有關(guān)，而Inocybe sp.，Leptodontidium sp.，Phyllachoraceae和Verticillium sp.與中度汞污染場(chǎng)地有關(guān)（圖3）。對(duì)汞敏感的真菌OTU僅占真菌OTU的12％，與高和中等汞污染的位點(diǎn)顯著相關(guān)。然而，兩個(gè)真菌OTU是豐富的，一個(gè)是Leptosphaeria sp.來(lái)自Clavipitaceae科。

圖3：Hg耐受和Hg敏感性細(xì)菌和真菌OTU的分級(jí)分類網(wǎng)絡(luò)與中度或高度Hg污染的位點(diǎn)或兩者顯著相關(guān)（節(jié)點(diǎn)顏色代碼）。節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于單個(gè)OTU，節(jié)點(diǎn)大小對(duì)應(yīng)于每個(gè)OTU的相對(duì)豐度。1=Verticillium sp., 2=Leptodontidium sp., 3=Phyllachoraceae, 4=Trichosporon sp., 5=Inocybe sp., 6=Rhodobiaceae, 7=Chthoniobacteraceae, 8=Clavipitaceae and 9=Leptosphaeria sp.

5.汞還原酶

汞和土壤中的長(zhǎng)期和短期汞污染都會(huì)增強(qiáng)汞還原酶基因（merA）。merA基因拷貝數(shù)的豐度在高Hg污染位點(diǎn)中最高，（圖4A）。在短期孵育結(jié)束時(shí)添加Hg，所有位點(diǎn)的MerA基因拷貝平均增加2.3±0.3倍（圖4A）。在merA基因拷貝與總16S rRNA基因拷貝的比例中觀察到類似的增加（圖4B）。

圖4：沿著來(lái)自田地的Hg污染梯度和來(lái)自土壤的土壤中每克Corg（A）和每個(gè)細(xì)菌16S基因拷貝數(shù)（B）報(bào)告的汞還原酶A（merA）基因拷貝數(shù)。

結(jié) 論

總體而言，這些數(shù)據(jù)顯示了汞污染對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的長(zhǎng)期影響。細(xì)菌和真菌群落均適應(yīng)土壤中長(zhǎng)期高汞濃度。在高汞污染土壤中維持高多樣性，生長(zhǎng)速率和基礎(chǔ)呼吸至未污染土壤的水平，表明微生物群落在不降低其功能的情況下耐受高汞濃度。高汞污染土壤中微生物功能的保護(hù)速率與低汞污染土壤相同，也可能是功能冗余的結(jié)果，其中耐受類群的功能與敏感類群相同。相反，細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)，多樣性和活性不受短期添加汞的影響，這意味著Hg的毒性作用在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)展或土壤微生物組對(duì)Hg的適應(yīng)性較快。在與Hg短暫孵育后，汞還原酶基因（merA基因）數(shù)量的增加揭示了土壤微生物細(xì)胞迅速適應(yīng)汞暴露的能力，從而消除了長(zhǎng)期汞污染對(duì)土壤的潛在微生物遺留影響。

評(píng) 論

汞元素是對(duì)人體毒害最大的5種重金屬之一,屬于129種優(yōu)先控制污染物之一。自日本水俁事件之后,人們對(duì)汞污染問(wèn)題逐步重視,相關(guān)研究日益增多。環(huán)境中汞污染的來(lái)源主要有自然來(lái)源和人為來(lái)源。其中,汞的人為來(lái)源主要是汞礦開采與冶煉、混汞選金、土法冶鋅、汞法制堿以及燃煤等工業(yè)活動(dòng)。工業(yè)化進(jìn)程中累積形成的汞污染問(wèn)題逐步顯現(xiàn),污染事件呈多發(fā)態(tài)勢(shì),對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。由于汞及其化合物具有很強(qiáng)的神經(jīng)毒性和致畸作用,積累效應(yīng)和遺傳毒性顯著,可以通過(guò)呼吸、皮膚接觸以及食物鏈等形式進(jìn)入人體,對(duì)人類健康造成了極大危害。土壤汞污染是汞污染問(wèn)題的重要組成部分。所以該文章的分析給我們提供了一種解決汞污染的思路。