摘要
汞(Hg)是广泛存在于自然环境中的持久性污染物之一，其生态和毒理效应与化学形态息息相关。在各种环境条件的影响下，无机二价汞(Hg(Ⅱ))可被转化为毒性更强的甲基汞(MeHg)，其可通过水生食物链在生物体内积累和放大，对生态系统和人类健康造成不可忽视的危害。在地表水或沉积物中，好氧微生物可将Hg(Ⅱ)还原成元素汞(Hg(0))并释放到大气中，厌氧微生物则对Hg(Ⅱ)的甲基化过程起着十分关键的作用。鉴于Hg(Ⅱ)的转化过程是胞内反应，准确评估Hg(Ⅱ)在环境中的生物有效性，特别是微生物有效性，对于研究汞的环境归趋和生态风险具有重要意义。天然水体中，Hg(Ⅱ)生物有效性受到多种环境因素影响，如pH、Eh、离子强度、溶解性有机质(DOM)等。DOM是生态系统的重要组成部分，可作为重金属迁移的“载体”或“配位体”，极大地影响金属毒性、迁移性和生物有效性。DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响既受其本身理化性质(如来源、浓度、分子量等)调控，也受外界条件(如平衡时长、氧含量等)制约。由于DOM结构组成的复杂性以及传统Hg(Ⅱ)检测手段的局限性，目前关于DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响和机制均不甚清晰。全细胞生物传感器作为一种新兴的生物有效性检测方法，能够选择性识别目标化学物并将相关化学信号转化为可识别的发光信号，无需复杂的预处理，工作条件宽泛，具有高选择性和灵敏度，且支持高通量检测。本研究通过汞特异性生物传感器这一简便灵敏的工具，模拟二价汞与微生物细胞之间的相互作用和跨膜过程，准确反映不同性质DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响，并进一步探究其影响机制。 首先，收集并提取了水藻、芦苇、杨树叶、沉积物、泥炭土等不同来源的DOM,采用紫外可见光谱(UV-Vis)、三维荧光光谱(3D-EEMs)、傅里叶变换-离子回旋共振质谱(FTICR-MS)等手段进行表征，分析各来源DOM的组成和性质。据其光谱特征可知，DOM腐殖化程度为:泥炭土＞湖中沉积物＞湖边沉积物＞杨树叶＞芦苇＞水藻，陆源性DOM中类腐殖质占比高，而水源性DOM中以类蛋白质为主。在此基础上，利用汞特异性全细胞微生物传感器，在有氧条件下探究了不同来源DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响，并以水藻DOM(水源性)和杨树叶DOM(陆源性)为代表，进一步探究了Hg(Ⅱ)-DOM动态平衡过程中Hg(Ⅱ)生物有效性的变化。结果显示，5mgC·L-1浓度下，相比于陆源性DOM,水源性DOM中亲水性小分子占比更大，从而显著促进细菌对Hg(Ⅱ)(10μg·L-1)的摄取，但这种影响不是绝对的，还会受到Hg(Ⅱ)-DOM动力学效应和DOM浓度调控。水藻DOM与Hg(Ⅱ)平衡时间≤4h时可增强其生物有效性，≥12h则降低;杨树叶DOM总体上降低Hg(Ⅱ)生物有效性，且平衡时间越长，Hg(Ⅱ)生物有效性越低，但当杨树叶DOM浓度达到10mgC·L-1时，也可产生促进作用。此外，逐步还原实验进一步证明Hg(Ⅱ)和DOM之间存在竞争性配体交换，强配体(如巯基)会逐渐取代弱配体(如羧基)与Hg(Ⅱ)结合，从而改变Hg(Ⅱ)生物有效性。 由于Hg(Ⅱ)的微生物甲基化大多发生在缺氧环境，因此本研究进一步考察了缺氧条件下不同来源、浓度、分子量的DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响。同时，以水藻DOM和杨树叶DOM为代表，对比了有氧和缺氧条件下DOM来源和浓度的影响。结果发现，在缺氧条件下，非平衡态时两种DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性的促进作用增强，平衡态时DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性抑制作用减弱。且平衡时间1h时，DOM浓度和Hg(Ⅱ)生物有效性之间存在线性关系;氧含量下降时，线性斜率增大。这表明氧含量影响细菌的代谢途径，厌氧条件下细菌可能将DOM中不易利用的大分子降解为亲水性小分子，进而增强Hg(Ⅱ)生物有效性。不同分子量DOM的研究结果也证明，低分子量DOM(类色氨酸、类酪氨酸等)比高分子量DOM(如类腐殖质)更显著促进细菌对Hg(Ⅱ)的摄入。但是这种促进作用存在上限，当低分子量组分浓度过高时，反而可能降低细菌的发光性能，并抑制Hg(Ⅱ)的摄入。 鉴于DOM中复杂官能团与Hg(Ⅱ)的竞争结合作用，为了进一步探究DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响机制，第三部分的研究选取了多羧酸盐、生物硫醇、巯基螯合剂等模型DOM分子，在有氧和缺氧条件下分析了其对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响。结果表明，多羧酸盐(乙二胺四乙酸、柠檬酸)以及巯基螯合剂(2,3-二巯基丙磺酸钠、3-巯基-1-丙磺酸钠)可降低Hg(Ⅱ)生物有效性。这可能是由于这些配体与Hg(Ⅱ)络合平衡后，形成了不易通过被动扩散或配体交换进入胞内的络合物。生物硫醇(半胱氨酸和谷胱甘肽)会对细菌产生毒害作用，但在一定浓度范围内仍可增强Hg(Ⅱ)生物有效性。这一方面是由于硫醇与Hg(Ⅱ)形成的络合物仍可通过配体交换被细菌所利用;另一方面则是由于细菌将硫醇代谢为硫化物，并与Hg(Ⅱ)形成硫化汞纳米颗粒，这种纳米颗粒相比于Hg(Ⅱ)-DOM络合物更易通过被动扩散被细菌摄取。此外，动力学效应和配体浓度均会影响络合物的稳定性和空间位阻，稳定性越强，空间位阻越大，则络合物越难进入细胞内。 综上所述，本论文采用全细胞生物传感器，在有氧或缺氧条件下分析了水环境中不同来源、浓度、分子量的DOM对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响，并通过分子模型进一步揭示了DOM特征官能团对Hg(Ⅱ)生物有效性的影响机制。本研究有助于理解水环境中汞生物地球化学循环，为揭示汞环境转化机制提供科学参考。
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