编辑推荐︱附着生物汞甲基化及其对水环境甲基汞归趋的影响

通常认为，底泥和缺氧水柱是水环境中最主要的汞甲基化场所以及甲基汞的来源。但近20多年来的研究表明，附着生物具有非常高的甲基汞浓度，且具有极强的汞甲基化能力。相较于底泥和水柱，附着生物在多种水环境中（如湖泊、河流 和沼泽地等）展现出更为活跃的汞甲基化过程。此外，附着生物在水环境中的分布比底泥更为广 泛，不仅可以附着在水生植物根部、岩石、木头和底泥表面等各种固体基质上，还可以随附着基质漂浮在水体表面，对水体甲基汞的影响更为直接。因此，在水环境中，附着生物可能是先前所忽视的且更为重要的甲基汞来源。

1.1 附着生物具有较高的甲基汞浓度

附着生物广泛存在于各种水环境中，如湖泊、溪流和湿地等。不同环境中，附着生物的汞浓度与甲基化潜势存在较大差异（表1）。总体上，在河流、温带湖泊和沼泽地等水环境中，附着生物较底泥和水柱具有更高的甲基汞含量。例如，在佛罗里达大沼泽地（Everglades）中，虽然附着生物总汞浓度（2.4~92 ng·g）显著低于土壤（9.3~350 ng·g），但其甲基汞浓度（0.052~9.4 ng·g）与土壤（0.04~12 ng·g）相当，甚至其湿季平均值（2 ng·g）高于土壤（0.87 ng·g）。在亚马逊流域贝尼河的冲积平原湖泊中，水生植物附着生物的总汞（54~182 ng·g）和甲基汞含量（7~28.2 ng·g）均高于底泥（总汞：46~79 ng·g，甲基汞：0.2~2.7 ng·g）。

1.2 附着生物具有较强的汞甲基化能力

附着生物不但有着高甲基汞浓度，而且具有高汞甲基化能力（表2）。通过原位培养、同位素示踪等技术，已证明附着生物具有很强的汞甲 基化能力，是水环境中重要的汞甲基化位点。                                                         

例如，基于美国佛罗里达Everglades的研究发现，附着生物的汞甲基化率为17%，而同一位点的底泥仅为10%。在法国西南部的河流和湖泊，研究者采用同位素示踪技术（Hg(II)），比较了水柱、底泥和附着生物的汞甲基化能力。结果显示，附着生物甲基汞产率（3.0~7.0%·d）要比底泥（最高为0.9%·d）高10倍左右，而水柱则几乎未检测到甲基汞的生成。在北美洲的圣皮埃尔湖，附着生 物的甲基汞净产率（-126~ +200 ng·m·d）比底泥（-2.1~ +5.5 ng·m·d）高两个数量级。

以上研究表明，在湖泊、河流和湿地等水环境中，附着生物具有很强的汞甲基化能力，甚至在有些水环境中强于水柱和底泥。

2.1 附着生物是甲基汞进入食物链的重要源点

图1 水环境中附着生物的汞甲基化过程及其对水体甲基汞归趋的影响（附着生物主要通过以下途径影响水环境中的汞循环：(1) 从水体中富集Hg(Ⅱ)；(2~5) 附着生物内部藻类和非汞甲基化细菌通过影响Hg(II)的赋存形态和汞甲基化细菌的活性影响汞甲基化；(6) 甲基化细菌介导的Hg(Ⅱ)甲基化；(8, 9) 无脊椎动物及鱼类对附着生物的摄食，使汞进入食物链富集累积；(10) 附着生物向水柱释放甲基汞

在湖泊生态系统中，附着生物中的藻类是初级生产力的主要贡献者，可占总藻类生产力的0.7%~92.3%。在冰岛米湖中，附着生物约贡献了整个湖泊初级生产力（附着生物+浮游植物+大型水生植物）的71.05%。采用同位素示踪技术发现，佛罗里达Everglades中食蚊鱼δN和δS的含量与附着生物呈显著正相关，提示附着生物是水环境食物链的重要基础。以上研究充分说明，附着生物是水环境中重要的能量来源以及物质传递的重要 枢纽。

除此之外，在许多水环境中，附着生物也是水生生物体内甲基汞的主要来源。在佛罗里达Everglades中，食蚊鱼总汞浓度和高生物富集因子通常出现在附着生物甲基汞浓度较高的区域。食蚊鱼总汞含量与附着生物甲基汞含量之间显著正相关（R=0.465，P<0.001，N=110），提示附着生物甲基汞是食蚊鱼汞的主要来源。模型计算表明，湿季附着生物总甲基汞的10%（1.5 kg）可通过食物链进入食蚊鱼种群，高达食蚊鱼体内汞总量的73%，证明附着生物对汞生物累积具有重要贡献。在加拿大的圣皮埃尔湖中，无脊椎动物体内的甲基汞也主要来源于附着生物。

甲基汞在附着生物和鱼种群之间的传递效率较高，加速了水生生物体内甲基汞的积累。例如，位于亚马逊流域的格拉尼亚湖（Lake La Granja），不同季节附着生物与初级消费者之间的生物放大系数（Biomagnification factor，BMF）范围可达1~1.8，远高于底泥（生物放大系数为0.6）。基于美国橡树岭附近的东叉白杨河的研究显示，附着生物具有较高的甲基汞含量，在该河流生物甲基汞的富集中发挥了非常重要的作用；在以附着生物为初级生产者的食物链中，相邻营养级之间甲基汞的生物放大系数高达3.16~31.62。同样在东叉白杨河，不仅石滚子鱼体内甲基汞含量与附着生物甲基汞含量之间显 著正相关，而且石滚子鱼从附着生物积累甲基汞的速率（1.93×10~ 4.2×10 μg·m·day）可达到甚至超过附着生物的汞甲基化速率（2.58~ 4.30 μg·m·day）（石滚子鱼甲基汞积累速率/附着生物汞甲基化速率约为4.5%~165%）。附着生物源源不断地向食物链提供甲基汞，进一步增加了甲基汞在食物链中的富集。

此外，相较于其他食物链，以附着生物为基础的食物链具有更强的稳定性和更高的甲基汞积累性。例如，在冲击平原河流水文条件变化的情况下，相比于底泥、悬浮物和大型植物，附着生物能稳定支撑最长的食物链。经过生物放大，该食物链中高营养级生物的甲基汞含量可达到相当高的水 平。在整个季节循环周期中，以附着生物为基础的食物链显示出最高的甲基汞浓度，其中无脊椎动物体内的甲基汞含量高达13~597 ng·g。相比之下，以底泥为基础的食物链仅有一条，且该食物链中无脊椎动物的甲基汞含量仅为1.15 ng·g，远低于附着生物食物链。以上研究表明，附着生物在水体食物链甲基汞的富集中发挥至关重要的作用。

2.2 附着生物是水柱甲基汞的重要来源

附着生物不但可以通过食物链影响水生生物体内的甲基汞水平，而且也是水柱中甲基汞的重要来 源（图1）。比较不同水体总汞和甲基汞浓度发现，二者之间无明显的相关性。通常认为，底泥是水环境中汞甲基化的主要场所。但是，对于较深的湖泊而言，缺氧底泥产生的甲基汞可能被其中的含硫矿物（如四方硫铁矿）等固定，难以释放至水柱。在某些水库环境中，底层水体的甲基汞含量远高于界面水以及表层底泥间隙水。因此，底泥中的汞甲基化难以解释水柱中的甲基汞。此外，在湖泊和海洋等水环境中均观察到了水体汞的原位甲基化，表明水体中可能存在其他的因素控制着水柱的甲基汞 水平。

附着生物在水环境中分布广泛且经历周期性地生长和衰亡分解，对环境条件的变化（如水位波动）非常敏感。因此，附着生物的高汞甲基化能力提示其可能是水柱中甲基汞的主要来源。随着与附着生物距离的增加，水体中甲基汞的含量呈现降低趋势：附着生物孔隙水最高，上覆水次之，而表层水最低。这种甲基汞分布趋势与水体总溶解性有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）的变化趋势一致，表明甲基汞在附着生物中产生后，可以随溶解性有机质扩散到周围水体。此外，当附着生物中的藻类腐解后，其中的甲基汞也可随之释放到水体或絮状物（Floc）等环境介质中。在佛罗里达Everglades中，表层水甲基汞浓度与附着生物的甲基化速率常数（k）之间存在很强的相关性（R=0.5，P<0.05）；洛克萨哈奇国家野生动物保护区（LNWR）和第二水源保护区（WCA2）的附着生物每日平均可产生0.02和0.3 kg的甲基汞，而这些甲基汞分别占水体甲基汞含量的10%和140%，表明附着生物可显著影响周围水体的甲基汞含量。

总体而言，附着生物是多种水环境中重要的初级生产者，具有较强的汞甲基化能力，其产生的甲基汞可进入水生食物链或释放至水体，对水生生物和水柱的甲基汞水平均具有重要影响。

无机汞的微生物甲基化为细胞内过程，因此甲基化微生物对无机汞的摄取是决定附着生物汞甲基化的关键过程之一。附着生物具有多层次的微生物结构及功能复杂性，不同微生物之间的相互作用模糊了代谢产物和底物（如电子受体或电子供体）的界限，对附着生物的形成和稳定发展具有重要意义。附着生物可以支撑多种汞甲基化细菌的生命活动，并且汞甲基化细菌的活性和群落丰度 受附着生物内部藻类和其他细菌的共同影响。因此，厘清附着生物中汞的生物有效性、微生物活性及相关控制因子是理解附着生物汞甲基化及其对水柱和食物链甲基汞贡献的关键。

3.1 附着生物可富集水环境中的无机汞，为汞甲基化提供底物

甲基汞的产生需要无机汞作为反应底物。附着生物对Hg(II)具有极强的富集能力，其累积系数（Bioaccumulation factors，BAFs）高达10~ 10，提示附着生物可为微生物汞甲基化提供充足的底物（图1）。

附着生物富含大量藻类和细菌等分泌的EPS，在汞的富集过程中发挥了重要作用。EPS含有多种官能团，如巯基（巯基乙酸、L-半胱氨酸-L-甘氨酸、半胱氨酸以及谷胱甘肽等）、羧 基、氨基以及羟基等。这些官能团均可络 合结合水体中的Hg(II)，与汞有非常强的结合能力。例如，利用三维荧光光谱和傅里叶变换红外光谱发现，EPS中的类多糖和类蛋白质物质在汞结合中具有重要贡献，其中C—N、C—O—C和P—O等官能团在结合过程起着关键作用。EPS可分为囊状（Capsular EPS）和胶状EPS（Colloidal EPS），这两种EPS结构存在差异。对于胶状EPS，酯基是与汞结合的主要官能团；而在囊状EPS中，碳氮键、醚键和羟基是主要的汞结合位点。位于附着生物外层的胶状EPS对Hg(II)的吸附能力强于内层的囊状EPS，其与Hg(II)的结合常数分别为3.47 × 10和2.62 × 10。此外，胶状EPS更为松散，增加了其与水体的接触面积，这些特性使得附着生物更有利于富集周围水体中的Hg(II)。总体上，EPS对汞的强富集能力表明，其可为附着生物汞甲基化提供充足的底物。

此外，附着生物对汞的富集能力也受控于附着基质的类别。例如，在湖泊生态系统中，底泥表层附着生物中的总汞浓度可高达53 980 ng·m，显著高于鹅卵石表面的附着生物（1192 ng·m），且附着生物总汞与底泥总汞显著正相关。该结果提示，附着生物不仅可以富集水体中的汞，还可吸附附着基质中的汞。

3.2 Hg(Ⅱ)的生物有效性

微生物对汞的甲基化不是取决于汞的总量，而是取决于可被其吸收利用的部分。汞的生物有效性又取决于汞的赋存形态。附着生物中富含多种藻 类和细菌等分泌的EPS，其官能团（如羧基、羟基、氨基和巯基等）可通过络合作用影响汞的赋存形态和生物有效性。例如，采用氯化亚锡还原法发现，附着生物分泌的EPS可显著降低活性Hg(II)的含量。基于南美喀喀湖（Lake Titicaca）的研究发现，底栖附着生物及绿藻附着生物均含有多种胞外低分子量硫醇化合物，其汞甲基化与总硫醇浓度之间存在显著的正相关关系，提示附着生物可通过分泌低分子量硫醇化合物以促进汞甲基化。附着生物中藻类分泌的EPS富含半胱氨酸等硫醇化合物，而半胱氨酸与汞的结合可以促进硫还原地杆菌对汞的吸收，也能增强甲基汞的酶促合成。

此外，附着生物独特的氧化还原梯度可能增强汞的生物有效性。研究表明，在缺氧条件下，一些硫代谢微生物（如硫酸盐还原菌）可将EPS中的硫醇化合物进一步代谢为无机硫（HS），从而将Hg(II)转化为相对惰性的硫化汞。但是，附着生物并非完全缺氧，其好氧菌与厌氧菌之间的相互作用可能会抑制硫化汞的生成，进而影响汞的生物有效性和甲基化。例如，附着生物中的紫色硫细菌（PSB）和紫色非硫细菌（PNSB）可将硫化物转化为硫酸盐，从而将其中与HS结合的Hg(Ⅱ)转化为生物有效性更高的形态。

附着生物中不同微生物之间的相互作用会影响附着生物的空间结构，进而影响汞的迁移速率及生物有效性。例如，在附着生物内部，细胞之间存在大量的多糖、蛋白质和DNA，并且以不均匀的模式分布，这些物质通常与汞具有很高的亲和性，可能会影响汞在附着生物内部的迁移。

综上，附着生物作为多物种共生的环境介质，微生物之间的相互作用将显著影响汞的赋存形态和生物有效性。

3.3 汞甲基化细菌的活性

3.3.1 附着生物可为汞甲基化细菌创造缺氧微环境，以满足其生存条件

环境中的甲基汞主要是由厌氧微生物产生的。因此，附着生物中汞甲基化微生物的活性是决定其甲基化潜势的关键因素之一。附着生物可为多种汞甲基化细菌提供生存位点，如硫酸盐还原菌、铁还原地杆菌和产甲烷菌等，使其可活跃于水环境中，甚至是含氧的表层水体。汞甲基化细菌的活性在不同环境中存在显著差异，因此不同附着生物中起主要作 用的汞甲基化细菌类别也不尽相同（图1）。例如，在受污染的流域中，附着生物中汞甲基化细菌群落丰度最高的物种是变形菌门（25%~55%）和暗黑菌（Candidatus Atribacteria）（23%~50%）。在水电坝和人工湿地中，各位点的附着生物一共存在8种具有hgcA基因簇的细菌，其中铁还原地杆菌是丰度最高的科。而在加拿大的圣劳伦斯河附近的湖泊中，产甲烷菌则是附着生物中主要的汞甲基化微生物。

通常，甲基化细菌均为厌氧菌，在有氧条件下难以维持其生命活动和进行甲基化。但是，附着生物内部存在明显的氧化还原梯度，从外层的有氧层到内层的缺氧层，包含硝酸盐还原区、铁还原区、硫酸盐还原区以及产甲烷区。附着生物内部这种独特的氧化还原结构使其微生物结构和功能非常复杂。因此推测，位于外层的需氧菌可通过消耗氧气形成有利于厌氧甲基化微生物栖息的缺氧微环境。例如，在加拿大圣劳伦斯河附近的一条浅湖中，采用16S rRNA基因测序发现，沉水植物上的附着生物中同时存在假单胞菌（Pseudomonadales）和放线菌（Actinomycetales）等好氧菌以及产甲烷菌等厌氧菌。

此外，附着生物是多种生物共存的共生体系，不同生物通过分泌代谢物质或EPS，共同影响并决定附着生物的状态。作为附着生物重要的组成成分，EPS也是附着生物表达其生态功能的重要载体。EPS富含大量官能团，不仅可以富集水环境中的汞，还可为附着生物提供充足的养料以及丰富的生物多样性，使得附着生物中的各种微生物之间联系更加紧密，增强微生物间的相互作用。EPS组分和含量与附着生物群落活性息息相关，对于附着生物的状态也具有重要指示作用。除此之外，附着生物中复杂的生化反应也可为汞甲基化细菌提供了有利于其生存和发育的场所及条件。研究发现，附着生物中的氧气和硫化物浓度具有明显的日变化特征：白天未发现硫化物且具有较高的氧浓度（最高可达1400 μmol·L）；然而在夜晚，氧浓度可降低到0，而硫化物浓度可高达50 μmol·L。以上结果提示，附着生物可通过其丰富的群落组成和复杂的生化反应，为甲基化细菌在有氧水柱中提供有利于其生存的缺氧微环境。

3.3.2 附着生物中的藻类、非汞甲基化细菌及颗粒物可为甲基化细菌提供丰富的营养物质，促进其生长及汞甲基化

附着生物具有多层次的微生物群落结构，不同微生物之间可共享氨基酸、碱基等营养物质，因此推测非甲基化微生物分泌的代谢物可为甲基化微生物提供底物，刺激其繁殖和代谢活性。

附着生物中的藻类对汞甲基化细菌的活性和丰度具有重要影响。活的藻类细胞可以向外界释放有机物（如DOM，Dissolved organic matter），而死亡裂解的藻细胞则可直接作为营养物质，促进细菌的生长（图1）。向附着生物中添加蓝藻，可显著提高甲基汞的产率，提示蓝藻对附着生物的汞甲基化具有促进作用。在热带高纬度湖泊中，附着生物中的甲基汞含量与鞘藻细胞丰度显著正相关（R = 0.783, P = 0.0126）。而当藻类遭到破坏时，附着生物的汞甲基化也会受到抑制。例如，使用敌草隆（DCMU，藻类抑制剂）处理附着生物，光照下的甲基汞产率降低了60%。除此之外，藻类还可以作为细菌的二级栖息地，在不利的环境条件中保护细菌细胞。反之，细菌也可以提供再矿化的S、N和P来促进藻类的生长。以上研究表明，附着生物中的藻类可显著影响其甲基化。

除了受藻类的影响，附着生物中汞甲基化细菌的生命活动也受控于其中的非汞甲基化细菌（图1)）。例如，采用多种特异性细菌抑制剂，发现单一的抑制某种汞甲基化细菌活性并不能完全抑制汞甲基化；同时，抑制一些已知不具有汞甲基化能力的细菌或者藻类时，也可降低汞甲基化。使用杀真菌剂，可降低附着生物4%~72%的汞甲基化能力。这些研究表明，附着生物中各种微生物之间联系紧密，存在着频繁的物质交换。当非汞甲基化细菌的代谢过程受到抑制时，汞甲基化细菌的活性也会随之降低。附着生物中不同微生物间的协同作用也可促进甲基汞的产生。例如，附着生物中存在紫色硫细菌和紫色非硫细菌时，可将硫化物氧化为硫酸盐，从而促进硫酸盐还原菌的代谢活性及汞甲基化；而硫酸盐还原菌又将硫酸盐还原为硫化物，刺激紫色硫细菌和紫色非硫细菌的生长。

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