研究簡介:汞作為一種具有強毒性和生物累積性的重金屬，在沿海環境中因工業排放、農業徑流等人類活動而大量積累。其中甲基汞因其神經毒性和沿食物鏈放大效應，對生態系統和人類健康構成嚴重威脅。沿海沉積物是汞甲基化的熱點區域，這一過程主要由攜帶hgcAB基因簇的厭氧微生物驅動。底棲生物通過生物擾動行為（如掘穴、攝食）顯著影響沉積物理化性質，但其對汞甲基化微生物群落及甲基汞生成的具體影響機制尚不明確。本研究以廣泛分布于東亞沿海的沙蠶（Nereis succinea）為模型生物，通過實驗室微宇宙實驗，設置四組處理，清潔沉積物+沙蠶（對照組，CW）、加汞非滅菌沉積物無沙蠶（NN）、加汞非滅菌沉積物+沙蠶（NW）、加汞滅菌沉積物無沙蠶（SN）。實驗持續15天，定期采集沉積物、孔隙水及沙蠶樣本，分析總汞、甲基汞濃度及微生物群落結構。通過qPCR定量hgcA基因豐度，結合宏基因組學技術（如Metagenomic binning和HMM模型）鑒定甲基化微生物類群，并利用結構方程模型（SEM）和隨機森林（RF）分析關鍵驅動因素。研究首次揭示了沙蠶生物擾動通過調控沉積物氧化還原狀態，直接抑制汞甲基化微生物群落，從而降低甲基汞生成風險。沙蠶作為“生態系統工程師”，其活動不僅增強沉積物微生物多樣性及穩定性，還為沿海生態系統汞污染修復提供了潛在策略（如利用底棲生物調控甲基汞生成）。未來需通過長期野外觀測驗證實驗室結論，并優化實施條件以實現生態工程應用。

Unisense微電極系統的應用

Unisense微電極系統主要用于測量沉積物中氧氣濃度的垂直分布剖面。將微電極置于上覆水層表面，通過微操縱器控制電極以每2毫米的間隔向下移動，直至沉積物深度超過50毫米。在每個深度點進行三次重復測量，結果顯示重復間無顯著變異，最終為每個處理組生成單一的氧氣剖面圖。測量覆蓋了所有實驗處理組，包括無沙蠶沉積物（NN組）和有沙蠶沉積物（NW組），以直接評估生物擾動對氧氣滲透的效應。研究發現無沙蠶沉積物中氧氣濃度隨深度增加急劇下降，在約20毫米處降至不可檢測水平（<1 μmol/L）；而沙蠶的存在使氧氣滲透深度顯著增加（>50毫米），且深層氧氣濃度穩定在較高水平（25.26±8.5 μmol/L）。這一結果直接證明了生物擾動通過增強沉積物通氣性，改變了微環境氧化還原狀態。

實驗結論

研究表明，沙蠶的存在顯著降低了沉積物中甲基汞的生成速率。由于生物擾動帶來的氧氣滲透，潛在的汞甲基化生物的豐富度和多樣性均有所下降，主要貢獻者的組成也發生了改變。蛤蟲的生物擾動使汞甲基化生物朝著具有更高耐氧性的代謝特征發展。此外，蛤蟲的存在改變了土壤微生物群落的結構，并增加了環保型微生物的豐富度，從而形成了一個更加多樣化和具有恢復力的沉積生態系統。研究結果表明利用沙蠶作為減輕沿海生態系統中甲基汞污染的有效策略具有潛在價值。需要長期的實地觀察來驗證和優化實施條件。

圖1、沉積物內氧氣剖面圖。無沙蠶（A）或有沙蠶（B）沉積物的氧氣剖面圖。結果顯示，無沙蠶沉積物中氧氣濃度隨深度增加急劇下降，在約20毫米處降至不可檢測水平（<1 μmol/L）。而在有沙蠶存在時，氧氣滲透深度超過50毫米，且氧氣水平穩定并顯著更高（25.26±8.5 μmol/L）。這表明沙蠶的掘穴行為促進了氧氣向沉積物深層的擴散。

圖2、不同采樣點沉積物（A）和沙蠶（B）中甲基汞濃度（平均值±標準差，n=4）。CW：清潔沉積物+沙蠶；NN：加汞非滅菌沉積物無沙蠶；NW：加汞非滅菌沉積物+沙蠶；SN：加汞滅菌沉積物無沙蠶。字母和星號表示采樣點與處理間在p<0.05水平的顯著差異。從圖中可以看出加汞沉積物中甲基汞濃度急劇上升（NN組：0.87±0.017至10.0±2.1 ng·g?1·dw；NW組：0.86±0.052至6.2±2.0 ng·g?1·dw），而滅菌處理組無顯著變化。沙蠶中甲基汞濃度的增加表明其積累了新生成的甲基汞。

圖3、（A）實驗期間沉積物中 hgcA 的豐度（每克溶解物中的拷貝數，均值±標準差，n = 4）。CW：有沙蠶的清潔沉積物；NN：未添加汞的含汞沉積物（無蠕蟲）；NW：添加汞的含沙蠶沉積物；SN：經過滅菌處理的不含蠕蟲的含汞沉積物。星號表示不同處理之間在 p < 0.01 的水平上存在顯著差異。（B）沉積物中 hgcA 基因豐度與甲基汞濃度之間的關系。hgcA基因豐度與甲基汞濃度的顯著正相關關系，證實了汞甲基化微生物是沉積物中甲基汞生產的主要貢獻者。

圖4、微生物群落組成分析。（A）在菌群相對豐度大于 1% 的菌群門類水平上，沉積物及蛤蟲腸道中的微生物群落組成情況 （B）沉積物及蛤蟲腸道中不同微生物屬的熱圖，至少有一個樣本的相對豐度大于 1%。CW：有蟲的清潔沉積物；NN：無蟲的含碘汞樣本沉積物；NW：有蟲的含碘汞樣本沉積物；SN：無蟲的消毒含碘汞樣本沉積物。

圖5、（A）不同處理中假定的汞甲基化酶的相對豐度。圓圈大小代表每個組中歸屬于特定屬或門的 hgcA 基因序列的相對豐度。（B）RF 分析用于預測與甲基汞生成相關的不同汞甲基化酶的重要性。相同顏色的條表示同一組。單星號和雙星號分別表示在 p < 0.05 和 0.01 時的顯著差異。（C）SEM 描繪了氧氣濃度和主要汞甲基化酶對甲基汞生成的貢獻。紅色和藍色箭頭分別表示正相關和負相關關系。數字表示標準化路徑系數。

結論與展望

沿海沉積物已被認為是汞（Hg）甲基化的熱點區域，并作為汞甲基化微生物的重要儲存庫。底棲生物的生物擾動行為可顯著影響沉積物性質，并潛在影響沉積物內污染物的遷移性和可利用性。然而，生物擾動對汞形態和沉積物中汞分布的影響尚未得到充分探討。本研究調查了沙蠶活動對沉積物中汞甲基化過程及甲基化微生物組成的影響。結果表明，沙蠶的存在極大抑制了汞甲基化微生物的生長，導致甲基汞（MeHg）生成速率顯著下降（從0.61 ng·g?1·dw·d?1降至0.36 ng·g?1·dw·d?1）。宏基因組學結果顯示，生物擾動顯著降低了推定汞甲基化微生物的豐度和多樣性，并改變了汞甲基化過程的主要貢獻者。此外，沙蠶活動影響了汞甲基化微生物的代謝特征，使群落向更高氧氣耐受性轉變。總體而言，沙蠶的生物擾動抑制了汞甲基化過程，增加了環境友好型微生物組的豐度，最終有助于使沉積物生態系統更加多樣化和具韌性。這些發現凸顯了生物擾動在減輕沉積物中甲基汞污染方面的重要作用，并為理解沿海環境中汞甲基化微生物及汞循環過程提供了更深入的見解。unisense微電極系統用于量化沙蠶生物擾動對沉積物氧氣滲透深度的影響，通過高分辨率氧氣剖面數據，直觀展示了沙蠶掘穴行為如何促進氧氣向沉積物深層擴散，為理解汞甲基化微生物的厭氧活動提供了關鍵數據支持。