CREST新文 | 佛罗里达国际大学蔡勇团队：含氧海水中汞甲基化的可能途径

导 读

佛罗里达国际大学蔡勇团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“含氧海水中汞甲基化的可能途径（Possible pathways for mercury methylation in oxic marine waters；DOI: 10.1080/10643389.2021.2008753; Published online: 8 Dec 2021）”的特邀综述（Invited Review）。

汞是一种全球性污染物，而不同形态的汞中尤以甲基汞毒性强大且具有生物富集放大特性。全球范围内，食用海洋生物产品为人体甲基汞的主要暴露途径，上世纪50年代的日本水俣病即为食用鱼肉导致的甲基汞中毒事件。作为海洋生物体内的甲基汞的源头，海水中甲基汞主要来自水体中的汞甲基化过程。一般认为环境中的汞甲基化过程是由携带hgcAB基因的厌氧微生物在厌氧环境中完成的，但由于绝大多数海域和水层的海水均为含氧条件，该机制显然不能直接解释海水中的甲基化过程。为解释该悖论，有研究者提出了含氧海水中汞的甲基化的三种可能途径（图1），包括1）有机化合物或有机金属络合物在海水中的非生物甲基化途径，2）厌氧微生物在含氧海水中的厌氧微环境中的甲基化途径，以及3）由好氧微生物在含氧海水中的甲基化途径。本研究全面系统地总结了对汞的这三种甲基化途径的研究进展，探讨了当前存在的认知缺口，并就未来研究方向提供了一些建议。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

以往研究显示海水中的汞甲基化过程必定有非生物甲基化的参与。汞的非生物甲基化可分为光化学甲基化途径和非光化学甲基化途径，后者又可分为转甲基化途径、细胞外甲基化途径和腐殖质参与的甲基化途径（图2）。本研究对汞的各种非生物甲基化途径进行了评估，结果表明光化学甲基化途径和转甲基化途径对海水甲基汞贡献不大，而限于认知目前无法量化细胞外甲基化和腐殖质参与的甲基化的贡献，但这两种途径可能是海水中甲基汞的重要来源。为深入研究汞的非生物甲基化途径，未来需要应用新的技术手段和改进研究方法。如应用检测汞同位素分馏的技术来追踪和量化不同甲基化途径对海水中甲基汞的贡献。此外，作为研究海水中汞甲基化的主要方法，基于汞同位素标记的孵化实验存在重大缺陷，极可能源自实验与自然环境的差别，未来可以通过消弭这些差别对该方法进行改进。

图2 含氧海水中汞的各种非生物甲基化途径 

虽然全球海洋中罕见厌氧海水，但海水中广泛分布着厌氧微环境，包括浮游动物内脏和粪便以及海洋颗粒物，这些厌氧微环境中富含有机物和无机汞基质，为携带hgcAB的厌氧微生物甲基化汞提供了有利条件（图3）。对该甲基化途径是否成立，近年的验证性研究没有得到一致性结论。有孵化实验检测到了颗粒物内较高的汞甲基化速率，波罗的海厌氧颗粒物的宏基因组数据筛选发现了hgcAB基因，但热带太平洋颗粒物的甲基汞浓度极低；波罗的海挠足类动物内脏中检测到了hgcA基因，但在极北蜇水蚤的内脏或粪便中汞的甲基化并未增强。为证实该甲基化途径并揭示其贡献，未来研究有必要整合运用各种技术和方法，包括进行孵化试验、检测hgcAB基因及其表达、分析自然界海水中甲基汞的分布等。

图3 含氧海水中厌氧微环境内由携带hgcAB基因的厌氧微生物完成的汞的甲基化途径 

含氧海水中汞的甲基化也可能由好氧微生物完成。几年前科学家在含氧海水中检测到hgcAB基因，并在南极海冰中发现一种好氧海洋细菌（Nitrospina）携带类似hgcAB基因并可能完成汞的甲基化，开启了通过宏基因组和转录组数据筛查hgcAB及类似基因和其表达的研究热潮。在西北太平洋等海域的研究证实Nitrospina携带并可表达hgcAB或类似基因，且极可能是海水中甲基汞的重要贡献者。目前尚没有研究分离并检测Nitrospina是否可以完成汞的甲基化，因此这一甲基化途径仍有待确证。未来可能发现更多好氧微生物为潜在的甲基汞生产者，但有必要验证其甲基化汞的能力。此外未来研究应注意，除hgcAB机制外，海水中的好氧微生物也可能通过其他机制完成汞的甲基化。

总结与展望

本研究表明，虽然汞的这三种甲基化途径均有待确证和深入研究，但至少有一种并可能是三种途径共同完成了含氧海水中汞的甲基化过程。对于未来的研究方向，我们建议应用新的技术手段，并改进和整合现有的研究方法。此外，由于海水中汞的各种甲基化途径受到一系列因素的影响且不同途径之间会相互影响，对这些影响应开展系统性和深入的研究，以厘清不同的甲基化途径对海水中甲基汞的贡献。

作者简介

第一作者简介：

王康，佛罗里达国际大学化学与生物化学系博士后，主要研究兴趣为重金属污染物环境地球化学。先后十多次参加青藏高原、北极海域、格陵兰岛以及佛罗里达大沼泽地的野外科学考察，在Science of the Total Environment、Marine Chemistry、Environmental Pollution等期刊上发表论文十余篇，并多次在国际会议上作学术报告。

通讯作者简介：

蔡勇，教授，现就职于美国佛罗里达国际大学化学与生物化学系及环境研究所，并任化学与生物化学系主任。致力于化学及环境科学领域的交叉研究，主要涉及金属和类金属污染物的形态分析和环境行为及其环境健康效应与生物吸收代谢过程，所指导的环境无机化学课题组尤其注重在分子水平上探究汞和砷的环境归趋及健康效应。

|供稿：佛罗里达国际大学蔡勇团队

|编排：曾镜羽

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