三峡水库消落带与纳木错土壤、底泥汞甲基化微生物分布特征

来源 :西南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lovinglixia
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
汞(Mercury,Hg)已经被列为一种全球污染物。自然界中,汞主要以无机单质汞(Hg(0)、Hg0)、二价汞(Hg(II)、Hg2+),以及有机汞化合物,如单甲基汞(CH3Hg+、甲基汞、MeHg)和二甲基汞(DMHg)存在于环境中。甲基汞可以在水生生态系统食物链中生物放大,致使鱼等水产品中达到高浓度,从而对人类健康构成威胁。研究表明,Hg(0)和Hg(II)都可以通过生物和非生物过程转化为甲基汞。然而,当前主流观点认为,甲基汞主要是由微生物,特别是存在于自然环境中的一群厌氧微生物作用生成。大量研究表明:硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB)、铁还原菌(Iron reducing bacteria,IRB)、甲烷生成菌(Methanogens),以及发酵、乙酸和纤维素分解等厌氧微生物是主要的汞甲基化微生物。这些微生物的共同特征是具有决定汞甲基化作用有无的关键基因簇hgcAB。因此,研究环境中汞甲基化微生物对于正确认识甲基汞的生成过程与人体暴露风险具有十分重要的意义。大量研究发现,水生生态系统底泥是甲基汞的主要来源,因此,研究水生生态系统底泥的汞甲基化微生物组成具有十分重要的意义。本论文旨在以三峡水库消落带和青藏高原纳木错两个典型的汞敏感型水生生态系统土壤、底泥为研究对象,分析三峡水库消落带与纳木错土壤、底泥与水体中THg、MeHg浓度,及MeHg/THg比值。同时,采用末端限制性片段多态性(T-RFLP)、克隆文库、实时荧光定量PCR法(q-PCR、qRT-PCR)以及16S rRNA扩增子高通量测序技术,对三峡水库消落带和青藏高原纳木错底泥、土壤中与汞甲基化相关基因量及相关微生物组成、丰度与多样性进行分析,从而预测三峡水库消落带与纳木错底泥中可能存在的汞甲基化微生物。通过研究发现,三峡水库忠县石宝寨(S)、涂井(T)和涪陵珍溪(Z)三处消落带,全淹土、半淹土和未淹土之间MeHg/THg比值范围在0.18%-2.81%,青藏高原纳木错湖心底泥和岸边土壤中,MeHg/THg比值范围在1.12%-2.46%,与三峡水库消落带的汞甲基化能力相当,但二者均远远低于其他水生生态系统。三峡水库石宝寨消落带落干期全淹土SI变成淹没期底泥SSe之后,SSe的MeHg/THg比值(2.05%)也高于SI(1.76%),这证实了底泥具有更高的汞甲基化能力,与前人的结果相一致。然而,这也说明三峡水库消落带和纳木错底泥中汞的微生物甲基化能力均处于相对较低的水平。通过对三峡水库忠县石宝寨、涂井和涪陵珍溪三处消落带全淹土、半淹土和未淹土中hgcA(汞甲基化微生物)、dsrB(SRB)和mcrA(甲烷生成菌)基因存在量分析表明,土壤中的MeHg浓度与dsrB基因存在量呈现正相关性,石宝寨和涂井消落带土壤MeHg浓度与hgcA基因存在量呈现正相关性。并且,消落带土壤中dsrB基因丰度显著高于hgcA丰度(p<0.001),这可能表明消落带土壤中只有一小部分SRB是汞甲基化微生物,参与到汞的微生物甲基化过程当中。通过对三峡水库石宝寨消落带的全淹土SI与未淹土SN中含dsrB基因的微生物的系统发育分析结果表明,SI中含dsrB基因的序列主要分布在δ-变形菌纲下的脱硫八叠球菌属(Desulfosarcina)、脱硫豆状菌属(Desulfofaba)、脱硫线菌属(Desulfonema)、脱硫球菌属(Desulfococcus)、脱硫豆菌属(Desulfotignum)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、脱硫微菌属(Desulfomicrobium)和脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)以及一些未鉴定的种属中;而SN中含dsrB基因序列主要位于δ-变形菌纲下的脱硫念珠菌属(Desulfomonile)、互营杆菌属(Syntrophobacter),以及一些未鉴定的种属中,SN中所出现的含dsrB基因序列微生物种属数量远远小于SI。可见,石宝寨消落带全淹土SI中dsrB和hgcA基因的丰度均较高,且显著高于未淹土SN中dsrB和hgcA基因的丰度(p<0.001)。同时,T-RFLP分析dsrB基因微生物多样性也发现,石宝寨消落带全淹土SI具有最高的dsrB基因微生物多样性。因此,通过对汞甲基化能力最强的石宝寨消落带,落干期全淹土SI变成淹没期底泥SSe过程中微生物构成及hgcA、dsrB和mcrA基因量进行比较后发现,SI与SSe所具有较高的hgcA和dsrB丰度与其较高的MeHg浓度之间呈正相关性,这表明含hgcA、dsrB基因的微生物对消落带全淹土和底泥样品中的无机汞甲基化有一定的贡献。SI中含hgcA基因序列为δ-变形菌纲下地杆菌科细菌,以及广古菌门、甲烷微菌纲的古菌。SSe中含hgcA基因序列为δ-变形菌纲下的地杆菌科细菌、甲烷微菌纲古菌以及梭菌纲细菌。可见,落干期到淹没期的变化对SI与SSe中含hgcA基因微生物的组成有较大影响。主成分分析(PCA)可知,SO42-、OM(有机质,organic matter)、Fe2+和NH4+都是影响dsrB或hgcA群落结构的显著变量。结合三峡消落带土壤、底泥汞浓度及MeHg/THg比值远低于其他水生生态系统这一结果,我们猜测:三峡水库消落带土壤、底泥中存在的汞甲基化微生物可能是δ-变形菌纲下的地杆菌科、甲烷微菌纲和梭菌纲中汞甲基化能力较弱的一些细菌和古菌。而具体是哪些微生物在起作用,有待进一步研究来确定。通过对青藏高原纳木错,采用16S rRNA扩增子Illumina高通量测序,分析了湖心底泥和岸边土壤中的微生物群落丰度、多样性、群落组成差异,结果表明,厚壁菌门、梭菌纲的瘤胃菌科(Ruminococcaceae)很可能是纳木错底泥中与汞甲基化相关的微生物。然而,现有文献表明,梭菌纲的汞甲基化能力平均来看是最弱的,而且在纳木错底泥中也不是优势科属。因此,底泥的生物甲基化作用对鱼类体MeHg超累积的贡献不大,原因可能主要来自水体、周丛生物等的生物或非生物汞甲基化作用。采用q-PCR(hgcA、dsrB、mcrA、pmoA、细菌16S rRNA和古菌16S rRNA)与qRT-PCR(hgcA和dsrB)进一步验证,结果表明,纳木错湖心底泥中dsrB基因量较高,但hgcA基因的存在量和表达量都较低。这意味着纳木错湖心底泥中大部分SRB可能都不是汞甲基化微生物,不具备汞甲基化作用。通过对纳木错湖心底泥与岸边土壤中影响汞的生物地球化学因素对微生物组成的影响进行了db-RDA分析,结果表明,对纳木错湖心底泥和岸边土壤中的物种构成影响最大的环境因子是阳离子交换量(CEC),其次为有机质(OM)、pH值、MeHg、Fe2+、THg浓度,盐基饱和度(BS)和NH4+浓度对菌群结构的影响最小。纳木错湖心底泥冷季的微生物群落组成与CEC、OM、pH、SO42-和Fe2+浓度是正相关,而湖心底泥冷季的微生物群落组成与BS、MeHg/THg比值、MeHg和NH4+浓度为负相关。岸边土壤和湖心底泥呈现出截然不同的相关性结果。综上研究表明,三峡水库消落带和青藏高原纳木错湖泊发现这两个水生生态系统的共性特征是:1)底泥中汞的微生物甲基化效率均不高,均低于国内外其他水生生态系统。2)这两个水生生态系统底泥中,均未发现现有已证明具有高汞甲基化能力的微生物,可预测的汞甲基化微生物均分布在能力较弱的纲中。这两个水生生态系统的不同之处在于:1)三峡水库消落带输入的汞多,但鱼体MeHg浓度低;而经过长距离传输输入到青藏高原纳木错的汞的量与三峡水库相当,但纳木错湖泊鱼汞具有超高MeHg浓度,这说明纳木错的甲基化效率要高。原因:我们的研究证明这种高的甲基化效率不主要来自底泥,因此,由于纳木错的高海拔、天然的厌氧强光照环境,推测其有可能来自水体、周丛生物等生境的高生物甲基化效率,或者是高效的非生物甲基化作用(光致甲基化作用)等。2)青藏高原纳木错湖心底泥的汞甲基化微生物可能来自于厚壁菌门、梭菌纲的瘤胃菌科(Ruminococcaceae);而三峡水库消落带底泥中具有汞甲基化能力的微生物可能来自于δ-变形菌纲下的地杆菌科,甲烷微菌纲和梭菌纲中汞甲基化能力较弱的一些细菌和古菌。本研究为人们了解大型水库和高原湖泊这两个水生生态系统,底泥中汞的微生物甲基化特征提供了基础数据,为理解水环境中汞的微生物甲基化作用机理提供了理论基础。
其他文献
随着经济的快速发展,城市道路网更新迅速,道路网数据对于交通规划和城市发展具有重要意义。本文提出了一种基于轨迹数据的道路更新及轨迹融合方法。首先使用几何最短距离分析
管理会计体系的构建是近年来我国财务管理发展的一个重要趋势,而管理会计在财务共享服务构建中有着至关重要的促进作用。本文立足于现有的理论研究以及实践案例,对财务共享服
目的:系统评价枸橼酸西地那非治疗子宫内膜发育不良的疗效。方法:检索PubMed、EMbase、Medline(Ovid)、TheCochraneLibrary、CBM、CNKI、VIP和Wanfang数据库,查找有关枸橼酸西地那
背景:心脏瓣膜病的治疗手段主要为心脏瓣膜置换术。与开胸手术比较,以经导管主动脉瓣置换术为代表的介入式换瓣手术具有创口小、恢复快的特点。目前国内经导管主动脉瓣置换术
进入经济新常态以来,广东省的经济由先前高速发展转为中高速增长。广东省是我国最早对外开放的省份之一,改革开放以后取得的成绩也有目共睹,然而新常态以来,广东省的进出口总额出现连续三年下降,各区域的进出口也有所下降,经济转型期的广东省面临更多新的困难和挑战。“一带一路”的提出为广东省各区域进一步扩大对外开放和促进经济增长提供空间和方向,在2017年,习近平主席对广东省作出重要批示,提出“四个坚持、三个支
目的研究枸橼酸西地那非在改善复发性流产患者子宫的血流灌注的作用。方法2018年1月—2019年2月在厦门大学附属第一医院妇产科复发流产门诊就诊,经彩色多普勒超声评估其存在
目的 传染病预防、控制与治疗是传染病医院工作的重要部分,传染病医院综合管理系统则是传染病防治工作的重要工具。本文以河南省某三级传染病医院(文中简称“医院”)研发的综
螺杆桩是建筑桩基础行业中大力推广的新桩型,它具有承载力高,桩质量好、工程造价低、沉降量低等优点。本文首先简单介绍了螺杆桩的成桩原理、施工设备,之后详细阐述了螺杆桩的成
应用纯中药制剂脑伤散Ⅰ号、Ⅱ号胶囊治疗脑震荡50例,与西药组50例进行对照观察。结果表明脑伤散治疗组的临床症状改善情况优于西药对照组,两组比较,差异有非常显著性意义(P<001)。用TCD(经颅
自密实混凝土是高性能混凝土的一种,即主要通过依靠自重,勿需振捣即可自行填充模型且包裹配筋,其拌和物具有良好的流动性、粘聚性、保水性及填充性能,硬化后具有良好的力学性