三峡库区消落带土壤中硫酸盐还原菌对汞甲基化作用的研究

摘要

汞（Hg）是一种普遍存在的有毒重金属，其剧毒形式-甲基汞（MeHg），是一种强亲脂性、高神经毒性的有机汞化合物，可以在生物体内富集积累，进而通过食物链进入人体，具有极大危害性。生物和非生物因素都可以使环境中的无机汞发生甲基化，其中微生物对环境中甲基汞的含量起着至关重要的作用。研究表明，汞的甲基化作用主要发生在厌氧环境下，产甲烷菌（methanogenus）、硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）和铁还原菌（dissimilation iron-reducing bacteria，FeRB）中均发现有能使汞甲基化的菌株，其中SRB被认为是水库等环境中最主要的汞甲基化因子。
　　三峡水库是我国最大的年调节型水库，其季节性蓄水、放水过程形成一个垂直高度30 m，面积为350 k m2的水库消落带，是一个典型的“汞敏感生态系统”。一方面库区被淹没土壤和植物主动或被动的将汞释放到水库生态系统中，同时土壤有机质和植物腐解释放的大量营养物质，为微生物提供丰富食物来源，使厌氧生长的SRB等细菌大量生长，促进无机汞向甲基汞转化。目前对三峡库区汞的环境化学特征研究主要集中在土壤、水体以及鱼体汞的基础含量调查，甲基化特征以及汞的迁移转化方向，对其中与汞甲基化相关的微生物种类、生物汞甲基化过程及其影响因素的研究比较缺乏。本研究基于此，设计室内模拟试验:以接入汞甲基化模式菌株Desulfovibrio africanus(D. africanus，DSM-2603)，接入量104cfu·g-1的灭菌消落带土壤为研究对象，设计三个汞浓度梯度（0、1、5 mg·kg-1Hg），对S RB在不同汞浓度下对汞的释放和甲基化的影响进行研究（接菌试验）;以未灭菌原土为研究对象，设计三个汞浓度水平，对三峡库区消落带土壤淹水过程中汞的释放和甲基化、S RB数量以及甲基化过程影响因素进行研究（原土试验）。主要结果如下：
　　（1）接菌试验中，未接菌处理（CK）THg、MeHg含量处于较低水平。不同汞浓度处理中土壤THg含量均有不同程度的下降，并且Hg含量越高的处理，释放Hg的量越多。水体THg均先降后升，30 d时高Hg处理（A5）分别是未添加汞处理（A0）和低浓度汞处理（A1）的6.02倍、3.26倍。三个处理土壤MeHg整体呈上升趋势，在试验20~25 d内较为明显，最大值分别为初始值的12.85倍、92.74倍、122.47倍。同时添加外源 Hg后，汞甲基化活动增强，且在试验 Hg浓度范围内，Hg浓度越高，甲基化活动越强;类似的，三个接菌处理的水体MeHg含量整体呈上升趋势，且Hg高的处理，水体MeHg含量明显较高。
　　（2）接菌试验中，处理CK中土壤D. africanus细菌数量先增后减，整体处于较低水平。处理A0、A1、A5土壤中D. africanus细菌数量均先增高后减，A5菌数前期受高浓度Hg抑制，后期达到三个处理中最大菌数3.70?104 cfu·g-1，整体表现为 Hg越高，D. africanus细菌数量越大。土壤 MeHg含量和 D. africanus细菌数量有显著相关性。添加外源 Hg促进了D.africanus菌的生长，降低了其单位转化MMHg的效率。
　　（3）原土试验中，不同汞浓度处理中土壤THg含量同样表现为不同程度的下降，并且Hg含量越高的处理，释放Hg的量越多。与接菌试验比较，THg下降速率均小于同等汞处理。原土试验各处理中水体THg含量随时间的延长而逐渐降低，Hg含量越高的处理，下降幅度越大。土壤MeHg含量均先增后减，达到最大值时，高Hg处理（B5，土壤MeHg含量0.55?104 ng·kg-1）增幅分别是未添加Hg处理（B0）、低Hg处理（B1）的2.20倍、1.34倍，表明外源高汞环境有利于土壤甲基汞的生成。水体MeHg含量均先增后减，最大值为B5的39.94 ng·L-1。
　　（4）原土试验中SRB数量整体处于较低水平，表现为“消-涨”的周期性变化特征，处理B5中SRB数量达最大值时是B0、B1的2.69倍、2.62倍，表明高Hg环境有利于“诱导”土壤总SRB数量的增加。原土试验中各处理土壤MeHg含量的消涨与SRB数量不存在显著的相关性（P>0.05），其相关性系数（r2）分别为：0.01、0.36、0.02。推测SRB不是三峡库区消落带主要的汞甲基化微生物。
　　（5）接菌试验各处理土壤pH总体呈先增高，后降低，土壤有机质含量随时间下降，电导率先减后增。土壤MeHg含量与THg含量、电导率均无显著相关性，pH值和有机质含量均与 MeHg含量呈显著负相关（P<0.05）。原土试验各处理土壤pH总体呈下降趋势，土壤有机质含量随时间呈下降趋势，电导率先减后增。土壤MeHg含量与THg含量、pH、有机质和电导率均无显著性关系。

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符号及缩写

第一章 文献综述

1.1汞和甲基汞的物理化学性质及危害

1.2环境汞污染与甲基化研究现状

1.3汞的生物甲基化

1.4国内外水库汞污染及甲基化过程研究进展

1.5三峡水库汞污染的研究意义

第二章 研究背景与内容

2.1立题背景

2.2研究内容

2.3技术路线

第三章 材料与方法

3.1实验材料

3.2试验方法

3.3样品采集与测定

3.4质量控制和数据处理

3.5数据分析

第四章 库区不同汞浓度淹没土壤接种硫酸盐还原菌D. africanus后对汞的释放及甲基化作用影响的模拟

4.1接菌试验中总汞的变化特征

4.2接菌试验中甲基汞的变化特征

4.3D. africanus菌数变化以及其与土壤甲基汞相关性分析

4.4D.africanus菌汞甲基化效率

4.5小结

第五章 库区不同汞浓度淹没土壤对汞的释放及甲基化作用影响的模拟

5.1原土试验中总汞的变化特征

5.2原土试验中甲基汞的变化特征

5.3 原土试验中硫酸盐还原菌变化特征以及其与土壤甲基汞含量相关性分析

5.4小结

第六章 库区淹水土壤汞的甲基化的影响因素

6.1土壤理化性质随时间变化特征

6.2土壤理化性质对汞甲基化的影响

6.3小结

第七章 结论与建议

7.1结论

7.2建议

参考文献

致谢

发表论文及参加课题