水旱輪作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的研究進展

李 浪， 朱金山*

(1.長江師范學院 綠色智慧環(huán)境學院， 重慶 408100； 2.長江師范學院 三峽庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測與災害防治工程技術研究中心， 重慶 408100)

水旱輪作是我國一直普遍采用的耕作模式，也是我國南方大部分地區(qū)的主要耕作方式之一。我國水旱輪作的稻田面積已達1 400萬hm2，占全國總稻田面積的35%左右。水稻作為當今世界的主要糧食作物，并且我國是世界上最大的水稻種植國，稻米產量占全國糧食總產量的40%以上[1]。汞是一種全球性有毒污染物，其具有持久性及生物累積性等特點。自然條件下，汞通常都以無機形態(tài)存在，在生物和微生物的作用下，無機汞可轉化為毒性更強的甲基汞。近年來研究發(fā)現，水稻具有非常強的甲基汞富集能力，水稻植株內的甲基汞主要來源于稻田土壤，導致食用稻米成為汞污染區(qū)甲基汞暴露的主要途徑[2]。

大量研究表明，汞微生物甲基化是土壤中無機汞甲基化的主要途徑，稻田土壤中無機汞的甲基化作用主要是在厭氧環(huán)境下通過微生物參與完成[3-5]。稻田土壤中汞甲基化微生物的豐度和多樣性與土壤中甲基汞的生成速率和累積濃度密切相關。水旱輪作模式由于水分、溫度及氧化還原電位等條件產生劇烈變化，從而影響土壤中汞的轉化、遷移和積累等[6]。水旱輪作模式旱作季種植的農作物不同將對土壤理化性質及微生物區(qū)系產生較大影響，汞甲基化微生物的組成和豐度也將發(fā)生重大變化。鮮見水旱輪作模式下稻田旱作季土壤微生物汞甲基化的綜述報道。為此，從水旱輪作稻田旱作季不同類型土壤汞微生物甲基化及土壤微生物汞甲基化的影響因素兩大方面進行綜述，以期為水旱輪作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的生產應用及同類研究提供參考。

1 水旱輪作稻田旱作季不同類型土壤汞的微生物甲基化

水旱輪作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化主要由硫酸鹽還原菌(SRB)、鐵還原細菌和產甲烷菌三大菌類作用產生。其中，硫酸鹽還原菌(SRB)是一類形態(tài)及營養(yǎng)多樣化的異養(yǎng)型厭氧菌，已發(fā)現的硫酸鹽還原菌有12個屬近40余個種[7]；鐵還原細菌廣泛分布在細菌域和古生菌域，其中異化典型Fe(Ⅲ)還原菌包括希瓦氏菌(Shewanella)、假單胞菌(Pseudomonas)、氣單胞菌(Aeromonas)、厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)和地桿菌(Geobacter)等[8-10]；產甲烷菌主要有甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷桿菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷胞菌目(Methanocellales)、甲烷八疊球菌目(Methanosareinales)和Methanomassiliicoccales 6大類群。在水旱輪作旱作季，稻田耕作與不耕作情形下的汞微生物甲基化的類型也不相同，其主要原因是三大菌類的組成和種群豐富度不同。

1.1 休耕土壤

在水旱輪作稻田旱作季的不耕作期間稱為冬水田，也是一種典型的濕地。在這種濕地系統(tǒng)淹水條件下是一個嚴格的厭氧環(huán)境，厭氧微生物對汞的甲基化起主導作用。其中，以硫酸鹽還原細菌(SRB)和產甲烷菌為無機汞甲基化的主要微生物，稻田土壤中硫酸鹽還原δ-變形桿菌豐度相對較高，其與THg和MeHg濃度增加呈正相關[11]。稻田土壤中根際和非根際土壤的有機質濃度、氧含量和氧化還原電位等理化性質不同，SRB數量及存在形態(tài)也有一定差異，且只有其部分亞類或菌株能產生甲基汞[12-13]。早期研究表明，產甲烷菌具有使汞甲基化的能力，能產生甲基鈷胺素，而Hg2+唯一的甲基供體來源就是甲基鈷胺素，將無機汞轉化成甲基汞需要有三磷酸腺苷(ATP)和中等還原劑條件下才能完成[14]。司友斌[15]研究2種鐵還原菌(Geobactersulfurreducens和ShewancllaoneidensisMR-1)對汞的甲基化作用及其影響因素發(fā)現，汞的生物甲基化過程與Fe(Ⅲ)異化還原過程有著密切聯(lián)系，Shewancllaoneidensis可促進硫化汞的溶解并迅速汞甲基化。

1.2 耕作土壤

在水旱輪作稻田旱作季的耕作期間，稻田土壤可分為2個部分。一是下層處于厭氧環(huán)境的部分土壤，在厭氧微生物硫酸鹽還原菌的作用下將無機汞轉化為甲基汞。二是上層接觸空氣的部分土壤含氧量較大，汞甲基化是依靠好氧和兼性厭氧微生物作用，由無機汞轉化為甲基汞。向玉萍[16]研究發(fā)現，在干濕交替過程中的落干階段，專性需氧菌株仍然具有將無機汞轉化為甲基汞的能力；土壤甲基汞(MeHg)在未接入專性需氧菌株(對照)含氧量少的土壤顯著低于接入專性需氧菌株處理含氧量高的土壤，說明專性需氧菌株會導致土壤發(fā)生汞甲基化；此階段專性需氧菌株的數量與土壤甲基汞(MeHg)含量呈顯著正相關關系(r2=0.68,p=0.02)，進一步說明汞甲基化主要由專性需氧菌株主導；因而其可能存在與厭氧汞甲基化微生物不一樣的汞甲基化途徑，即甲酸鹽或絲氨酸會產生5-甲基四氫葉酸或S-腺苷甲硫氨酸所需要的甲基基團，相應的甲基基團即可用于甲基汞(MeHg)的合成。

2 水旱輪作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的影響因素

正常土壤中無機汞化合物存在的形式通常有硫化汞、氧化汞、碳酸汞、硫酸汞和氯化汞等，在土壤微生物的作用下，這些無機汞可能轉化為甲基汞或二甲基汞。汞微生物甲基化途徑主要受土壤pH、有機質、溫度和氧化還原條件等理化性質的影響。pH不僅影響汞在土壤中的存在形態(tài)，還可改變微生物的活性。有研究發(fā)現，酸性土壤條件有利于甲基汞(MeHg)的形成，而堿性土壤條件有利于二甲基汞(DMHg)的形成[17-18]。有機質成分較多，其中溶解性有機質可改變土壤微生物的活性，從而提高微生物的甲基化。有機質中的腐殖酸可抑制汞微生物甲基化，尤其是在高濃度的有機質下，汞甲基化進程減緩[19-20]。汞微生物甲基化過程需要酶的參與，因此微生物的新陳代謝過程受溫度影響，從而導致汞微生物甲基化進程發(fā)生變化，在32℃時汞微生物甲基化速率最高[21]。厭氧環(huán)境和有氧環(huán)境都可能存在汞微生物甲基化，處于厭氧環(huán)境(氧化還原電位較低)時，可促進汞微生物甲基化的進程，同時還可抑制去甲基化過程[22]。因此，水旱輪作模式下旱作季不同的耕作方式、化肥與農藥的施用及輪作模式等均會改變土壤的理化性質和微生物的群落結構及豐富度，從而影響水旱輪作稻田旱作季土壤汞的微生物甲基化。

2.1 耕作方式

稻田土壤耕作可調節(jié)和改善土壤的緊實度和透氣性，有利于旱作季作物根系的生長發(fā)育，促進土壤有機質的分解釋放，從而加快微生物的生長代謝過程。不同耕作方式對稻田土壤的理化性質產生不同的影響。在不同耕作制度中，免耕是一種重要的保護性耕作技術，與常規(guī)耕作方式相比能夠顯著地改善旱作季稻田土壤的理化性質。保護性耕作對于稻田土壤溫度隨氣候的變化具有一定的緩沖作用，一是在實施保護性耕作措施時土壤覆蓋物會阻擾太陽一部分的直接輻射，使土壤表面溫度較常規(guī)耕作模式有一定程度的降低，可有效地減少土壤熱量的喪失；二是旱作季免耕稻田較翻耕稻田土壤溫度可升高0.16～0.71℃。不同耕作方式對于土壤的酸堿度影響存在差異。在長期免耕條件下，土層深度較淺(0.5～5 cm)時pH降低，而土層深度在10～30 cm時pH升高；但也有研究發(fā)現，常規(guī)耕作土壤pH高于保護性耕作土壤。土壤有機質在耕作過程中亦出現顯著變化，常規(guī)耕作方式對土壤的擾動較大，能使土壤微生物與有機質充分接觸，有利于微生物分解有機質；而保護性耕作方式對土壤的擾動減小，也不利于微生物進行新陳代謝。有學者認為，常規(guī)耕作可改善土壤不同層次有機質的分布，而保護性耕作方式下有機質的分布主要集中在土壤的表面附近[23-25]。

水旱輪作模式下稻田旱作季土壤的理化性質和微生物的群落特征發(fā)生變化，導致無機汞轉化為甲基汞的途徑發(fā)生改變。耕作方式不僅對土壤微生物的總量產生顯著影響，還對土壤微生物的群落特征和豐富度產生影響。免耕土壤中的微生物含量較高，而在不同耕作方式下土壤微生物數量及土壤酶活性的規(guī)律為壟作免耕>常規(guī)平作[26-27]。王欣悅[2]研究發(fā)現，水旱輪作模式土層深度相同時，稻田土壤免耕壟作和翻耕廂作的汞含量較低，免耕廂作和翻耕壟作的汞含量較高。水旱輪作模式旱作季不同耕作方式對稻田土壤甲基汞的含量依次為壟作免耕>廂作免耕>壟作翻耕>廂作翻耕>常規(guī)平作，其證實水旱輪作模式下旱作季稻田進行壟作免耕使土壤中甲基汞含量增加，而常規(guī)平作有利于降低稻田土壤甲基汞的含量。這是因為壟作免耕有利于土壤厭氧條件的形成，促進汞微生物甲基化，而常規(guī)平作對土壤產生擾動，破壞了其內部的厭氧環(huán)境。

2.2 肥料與農藥的施用

卜洪震等[28-29]研究發(fā)現，施用化學肥料及有機肥與化學肥料配施較不施肥土壤中微生物總量均顯著提高。同時施用化學肥料、有機肥與化肥配合施用對土壤微生物量增加的影響為無肥處理<化肥<常規(guī)施肥<30%有機肥+化肥<60%有機肥+化肥。施用化學肥料后，一是作物的根系更為發(fā)達，為土壤中的微生物提供了充足的營養(yǎng)物質，從而微生物的生長代謝加快；二是土壤的緊實度增大，為土壤中的厭氧微生物提供了良好的厭氧環(huán)境。另外，施用有機肥使土壤中的根系量和有機物增加，從而提高土壤微生物的活躍度[30]。而在汞微生物甲基化過程中，硫酸鹽還原菌(SRB)作為異養(yǎng)型厭氧菌在該過程中占據主導地位，因此大量施用化肥為硫酸鹽還原菌(SRB)提供了良好的生存環(huán)境，土壤中硫酸鹽還原菌(SRB)數量與甲基汞的產生量具有相同的變化趨勢，二者呈顯著的正相關性(R2=0.57,P<0.01)[31]。

農藥具有一定的毒效性，不同種類農藥對土壤微生物的影響不同。大量研究發(fā)現，農藥對土壤微生物的作用在于抑制土壤微生物的呼吸功能[32]，其對旱作季表層土壤中的專性需氧菌的汞甲基化途徑影響較大，而對深層土壤中厭氧菌的汞甲基化途徑不受影響。還有部分農藥影響土壤酶的活性[33-34]，進而對土壤汞微生物甲基化酶催化過程產生顯著影響。

2.3 水旱輪作模式

水旱輪作指在同一田塊以不同的作物輪作，或在輪作中采用不同的復種方式進行輪作的一種種植方法；農田利用與養(yǎng)地相結合，是一項能夠增加作物產量和有效維護農田生態(tài)環(huán)境的農業(yè)耕作措施[35]。水旱輪作可有效改善土壤理化性質和土壤微生物的群落結構及豐富度。

2.3.1 種植不同作物 水旱輪作模式下旱作季一般種植的作物包括油菜(十字花科)、馬鈴薯(茄科)和小麥(單子葉禾本科)等。在旱作季種植油菜可極大程度地增加土壤微生物的豐富度。張立成等[36]研究發(fā)現，稻-稻-油菜輪作后土壤中α-變形菌、β-變形菌和γ-變形菌較稻-稻連作高；而輪作土壤中的δ-變形菌、酸桿菌、厚壁菌和浮霉菌低于連作。在汞甲基化微生物中硫酸鹽還原菌(SRB)屬于δ-變形菌，旱作季中汞微生物甲基化以厭氧菌為主，所以旱作季種植油菜可緩解土壤中汞微生物甲基化。旱作季種植馬鈴薯對于土壤中真菌有顯著的影響，而對土壤中細菌種屬的影響較低[37]；馬鈴薯的根系發(fā)達，為土壤中的微生物提供有機物，微生物的活性提高，導致汞微生物甲基化進程加快。紀洋等[38]研究發(fā)現，在旱作季種植小麥時，除古菌外，旱作季的產甲烷菌、土壤細菌、硝化菌和反硝化菌等低于水作季。鐵還原細菌屬于古菌，說明在旱作季種植小麥期間，其對于產甲烷菌的無機汞甲基化會產生影響。可見，在旱作季種植不同作物對土壤中汞微生物甲基化有顯著影響，其中種植油菜(十字花科)不利于水旱輪作模式旱作季稻田土壤汞微生物甲基化的形成。

2.3.2 不同復種方式 李仲強等[39]研究發(fā)現，不同復種方式對土壤微生物好氣性細菌總數的影響為藥材-雙季稻>馬鈴薯-玉米/瓜-晚稻>大麥/玉米-瓜-晚稻>菜豌豆-雙季稻>紫云英-雙季稻，而對厭氣性細菌總數的影響為大麥/玉米-瓜-晚稻>藥材-雙季稻>馬鈴薯-玉米/瓜-晚稻>紫云英-雙季稻>菜豌豆-雙季稻。因此，在表層土壤汞微生物甲基化的規(guī)律為藥材-雙季稻>馬鈴薯-玉米/瓜-晚稻>大麥/玉米-瓜-晚稻>菜豌豆-雙季稻>紫云英-雙季稻，而深層土壤汞微生物甲基化的規(guī)律為大麥/玉米-瓜-晚稻>藥材-雙季稻>馬鈴薯-玉米/瓜-晚稻>紫云英-雙季稻>菜豌豆-雙季稻。因為在土壤表層是專性需氧菌進行汞微生物甲基化，而深層土壤處于厭氧環(huán)境，是厭氧菌進行汞微生物甲基化。

2.4 其他因素

土層深度對旱作季汞微生物甲基化也有一定的影響。在土層深度為10～20 cm時，總汞和甲基汞含量最高，因在此土層深度范圍內，存在大量的微生物和有機質等利于發(fā)生汞甲基化反應的條件，有利于促進甲基汞的生成[2]。同時，旱作季不同季節(jié)對于汞微生物甲基化也存在一定的影響，因為秋季水稻收割后稻田土壤積累大量的有機物，微生物量一般在冬季達峰值；而春天氣溫回暖微生物活動增強，當土壤中的能量被大量消耗之后，供應不了更多微生物的生長需求，導致微生物量急劇下降。由于微生物是控制汞甲基化的主要因子，所以冬季甲基汞的含量高于春季[2,40]。LIU等[5]對萬山汞礦區(qū)稻田土壤研究發(fā)現，在高汞稻田土壤中，秸稈還田對無機汞的甲基化具有促進作用，土壤甲基汞濃度與溶解性有機碳成正相關性，原因可能是秸稈還田后導致稻田土壤理化性質發(fā)生改變，尤其是有機質和腐殖質含量急劇增加。此外，張定熙等[41]研究表明，還田秸稈長度越小，土壤中的甲基汞含量越高，其原因是秸稈長度越小其降解越快，可為微生物提供足夠的營養(yǎng)物質，微生物的活性提高[42]。環(huán)境因素對汞微生物甲基化是相互的，各要素之間密切聯(lián)系，同時對汞微生物甲基化作用的能力也不盡相同，其特殊的影響過程仍需進一步深入研究。

3 展望

目前，國內外學者研究的領域主要集中在汞的地球化學循環(huán)以及汞的甲基化形成機理，水旱輪作模式下種植水稻期間的汞微生物甲基化的形成機制和水稻對于甲基汞的富集作用[43]。而水旱輪作模式下旱作季的稻田土壤汞微生物甲基化的相關研究還局限于汞微生物甲基化的機制和無機汞轉化為甲基汞的影響因素，并取得了一定的成果。但對旱作季中微生物的去甲基化機制的研究相對缺乏，相關的微生物汞甲基化機理和與其對應的控制因素仍不清晰。因此，在這些方面的研究需要進一步的加強，如水旱輪作模式下稻田旱作季土壤汞的微生物去甲基化機制、旱作季中土壤微生物的群落結構特征和種群豐富度、不同微生物對于汞甲基化的基因表達和核酸翻譯等，以及水旱輪作模式下稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的影響因素等。同時，更應將水旱輪作模式下旱作季稻田土壤汞微生物甲基化研究理論轉化到實際應用中，如何緩解土壤中汞微生物甲基化以及旱作季不同作物對汞甲基化的影響，水旱輪作模式下旱作季的種植作物與水作季種植水稻的汞微生物甲基化有何聯(lián)系等均是未來的重點研究方向。而對于微生物汞的去甲基化機制、不同輪作模式對微生物汞甲基化和去甲基化機制的影響，合理篩選旱作季種植的作物，并結合相關的生態(tài)經濟損益分析等方面的研究還應受到廣泛關注。