水旱轮作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的研究进展

李 浪， 朱金山*

(1.长江师范学院 绿色智慧环境学院， 重庆 408100； 2.长江师范学院 三峡库区环境监测与灾害防治工程技术研究中心， 重庆 408100)

水旱轮作是我国一直普遍采用的耕作模式，也是我国南方大部分地区的主要耕作方式之一。我国水旱轮作的稻田面积已达1 400万hm2，占全国总稻田面积的35%左右。水稻作为当今世界的主要粮食作物，并且我国是世界上最大的水稻种植国，稻米产量占全国粮食总产量的40%以上[1]。汞是一种全球性有毒污染物，其具有持久性及生物累积性等特点。自然条件下，汞通常都以无机形态存在，在生物和微生物的作用下，无机汞可转化为毒性更强的甲基汞。近年来研究发现，水稻具有非常强的甲基汞富集能力，水稻植株内的甲基汞主要来源于稻田土壤，导致食用稻米成为汞污染区甲基汞暴露的主要途径[2]。

大量研究表明，汞微生物甲基化是土壤中无机汞甲基化的主要途径，稻田土壤中无机汞的甲基化作用主要是在厌氧环境下通过微生物参与完成[3-5]。稻田土壤中汞甲基化微生物的丰度和多样性与土壤中甲基汞的生成速率和累积浓度密切相关。水旱轮作模式由于水分、温度及氧化还原电位等条件产生剧烈变化，从而影响土壤中汞的转化、迁移和积累等[6]。水旱轮作模式旱作季种植的农作物不同将对土壤理化性质及微生物区系产生较大影响，汞甲基化微生物的组成和丰度也将发生重大变化。鲜见水旱轮作模式下稻田旱作季土壤微生物汞甲基化的综述报道。为此，从水旱轮作稻田旱作季不同类型土壤汞微生物甲基化及土壤微生物汞甲基化的影响因素两大方面进行综述，以期为水旱轮作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的生产应用及同类研究提供参考。

1 水旱轮作稻田旱作季不同类型土壤汞的微生物甲基化

水旱轮作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化主要由硫酸盐还原菌(SRB)、铁还原细菌和产甲烷菌三大菌类作用产生。其中，硫酸盐还原菌(SRB)是一类形态及营养多样化的异养型厌氧菌，已发现的硫酸盐还原菌有12个属近40余个种[7]；铁还原细菌广泛分布在细菌域和古生菌域，其中异化典型Fe(Ⅲ)还原菌包括希瓦氏菌(Shewanella)、假单胞菌(Pseudomonas)、气单胞菌(Aeromonas)、厌氧粘细菌(Anaeromyxobacter)和地杆菌(Geobacter)等[8-10]；产甲烷菌主要有甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷胞菌目(Methanocellales)、甲烷八叠球菌目(Methanosareinales)和Methanomassiliicoccales 6大类群。在水旱轮作旱作季，稻田耕作与不耕作情形下的汞微生物甲基化的类型也不相同，其主要原因是三大菌类的组成和种群丰富度不同。

1.1 休耕土壤

在水旱轮作稻田旱作季的不耕作期间称为冬水田，也是一种典型的湿地。在这种湿地系统淹水条件下是一个严格的厌氧环境，厌氧微生物对汞的甲基化起主导作用。其中，以硫酸盐还原细菌(SRB)和产甲烷菌为无机汞甲基化的主要微生物，稻田土壤中硫酸盐还原δ-变形杆菌丰度相对较高，其与THg和MeHg浓度增加呈正相关[11]。稻田土壤中根际和非根际土壤的有机质浓度、氧含量和氧化还原电位等理化性质不同，SRB数量及存在形态也有一定差异，且只有其部分亚类或菌株能产生甲基汞[12-13]。早期研究表明，产甲烷菌具有使汞甲基化的能力，能产生甲基钴胺素，而Hg2+唯一的甲基供体来源就是甲基钴胺素，将无机汞转化成甲基汞需要有三磷酸腺苷(ATP)和中等还原剂条件下才能完成[14]。司友斌[15]研究2种铁还原菌(Geobactersulfurreducens和ShewancllaoneidensisMR-1)对汞的甲基化作用及其影响因素发现，汞的生物甲基化过程与Fe(Ⅲ)异化还原过程有着密切联系，Shewancllaoneidensis可促进硫化汞的溶解并迅速汞甲基化。

1.2 耕作土壤

在水旱轮作稻田旱作季的耕作期间，稻田土壤可分为2个部分。一是下层处于厌氧环境的部分土壤，在厌氧微生物硫酸盐还原菌的作用下将无机汞转化为甲基汞。二是上层接触空气的部分土壤含氧量较大，汞甲基化是依靠好氧和兼性厌氧微生物作用，由无机汞转化为甲基汞。向玉萍[16]研究发现，在干湿交替过程中的落干阶段，专性需氧菌株仍然具有将无机汞转化为甲基汞的能力；土壤甲基汞(MeHg)在未接入专性需氧菌株(对照)含氧量少的土壤显著低于接入专性需氧菌株处理含氧量高的土壤，说明专性需氧菌株会导致土壤发生汞甲基化；此阶段专性需氧菌株的数量与土壤甲基汞(MeHg)含量呈显著正相关关系(r2=0.68,p=0.02)，进一步说明汞甲基化主要由专性需氧菌株主导；因而其可能存在与厌氧汞甲基化微生物不一样的汞甲基化途径，即甲酸盐或丝氨酸会产生5-甲基四氢叶酸或S-腺苷甲硫氨酸所需要的甲基基团，相应的甲基基团即可用于甲基汞(MeHg)的合成。

2 水旱轮作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的影响因素

正常土壤中无机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，这些无机汞可能转化为甲基汞或二甲基汞。汞微生物甲基化途径主要受土壤pH、有机质、温度和氧化还原条件等理化性质的影响。pH不仅影响汞在土壤中的存在形态，还可改变微生物的活性。有研究发现，酸性土壤条件有利于甲基汞(MeHg)的形成，而碱性土壤条件有利于二甲基汞(DMHg)的形成[17-18]。有机质成分较多，其中溶解性有机质可改变土壤微生物的活性，从而提高微生物的甲基化。有机质中的腐殖酸可抑制汞微生物甲基化，尤其是在高浓度的有机质下，汞甲基化进程减缓[19-20]。汞微生物甲基化过程需要酶的参与，因此微生物的新陈代谢过程受温度影响，从而导致汞微生物甲基化进程发生变化，在32℃时汞微生物甲基化速率最高[21]。厌氧环境和有氧环境都可能存在汞微生物甲基化，处于厌氧环境(氧化还原电位较低)时，可促进汞微生物甲基化的进程，同时还可抑制去甲基化过程[22]。因此，水旱轮作模式下旱作季不同的耕作方式、化肥与农药的施用及轮作模式等均会改变土壤的理化性质和微生物的群落结构及丰富度，从而影响水旱轮作稻田旱作季土壤汞的微生物甲基化。

2.1 耕作方式

稻田土壤耕作可调节和改善土壤的紧实度和透气性，有利于旱作季作物根系的生长发育，促进土壤有机质的分解释放，从而加快微生物的生长代谢过程。不同耕作方式对稻田土壤的理化性质产生不同的影响。在不同耕作制度中，免耕是一种重要的保护性耕作技术，与常规耕作方式相比能够显著地改善旱作季稻田土壤的理化性质。保护性耕作对于稻田土壤温度随气候的变化具有一定的缓冲作用，一是在实施保护性耕作措施时土壤覆盖物会阻扰太阳一部分的直接辐射，使土壤表面温度较常规耕作模式有一定程度的降低，可有效地减少土壤热量的丧失；二是旱作季免耕稻田较翻耕稻田土壤温度可升高0.16～0.71℃。不同耕作方式对于土壤的酸碱度影响存在差异。在长期免耕条件下，土层深度较浅(0.5～5 cm)时pH降低，而土层深度在10～30 cm时pH升高；但也有研究发现，常规耕作土壤pH高于保护性耕作土壤。土壤有机质在耕作过程中亦出现显著变化，常规耕作方式对土壤的扰动较大，能使土壤微生物与有机质充分接触，有利于微生物分解有机质；而保护性耕作方式对土壤的扰动减小，也不利于微生物进行新陈代谢。有学者认为，常规耕作可改善土壤不同层次有机质的分布，而保护性耕作方式下有机质的分布主要集中在土壤的表面附近[23-25]。

水旱轮作模式下稻田旱作季土壤的理化性质和微生物的群落特征发生变化，导致无机汞转化为甲基汞的途径发生改变。耕作方式不仅对土壤微生物的总量产生显著影响，还对土壤微生物的群落特征和丰富度产生影响。免耕土壤中的微生物含量较高，而在不同耕作方式下土壤微生物数量及土壤酶活性的规律为垄作免耕>常规平作[26-27]。王欣悦[2]研究发现，水旱轮作模式土层深度相同时，稻田土壤免耕垄作和翻耕厢作的汞含量较低，免耕厢作和翻耕垄作的汞含量较高。水旱轮作模式旱作季不同耕作方式对稻田土壤甲基汞的含量依次为垄作免耕>厢作免耕>垄作翻耕>厢作翻耕>常规平作，其证实水旱轮作模式下旱作季稻田进行垄作免耕使土壤中甲基汞含量增加，而常规平作有利于降低稻田土壤甲基汞的含量。这是因为垄作免耕有利于土壤厌氧条件的形成，促进汞微生物甲基化，而常规平作对土壤产生扰动，破坏了其内部的厌氧环境。

2.2 肥料与农药的施用

卜洪震等[28-29]研究发现，施用化学肥料及有机肥与化学肥料配施较不施肥土壤中微生物总量均显著提高。同时施用化学肥料、有机肥与化肥配合施用对土壤微生物量增加的影响为无肥处理<化肥<常规施肥<30%有机肥+化肥<60%有机肥+化肥。施用化学肥料后，一是作物的根系更为发达，为土壤中的微生物提供了充足的营养物质，从而微生物的生长代谢加快；二是土壤的紧实度增大，为土壤中的厌氧微生物提供了良好的厌氧环境。另外，施用有机肥使土壤中的根系量和有机物增加，从而提高土壤微生物的活跃度[30]。而在汞微生物甲基化过程中，硫酸盐还原菌(SRB)作为异养型厌氧菌在该过程中占据主导地位，因此大量施用化肥为硫酸盐还原菌(SRB)提供了良好的生存环境，土壤中硫酸盐还原菌(SRB)数量与甲基汞的产生量具有相同的变化趋势，二者呈显著的正相关性(R2=0.57,P<0.01)[31]。

农药具有一定的毒效性，不同种类农药对土壤微生物的影响不同。大量研究发现，农药对土壤微生物的作用在于抑制土壤微生物的呼吸功能[32]，其对旱作季表层土壤中的专性需氧菌的汞甲基化途径影响较大，而对深层土壤中厌氧菌的汞甲基化途径不受影响。还有部分农药影响土壤酶的活性[33-34]，进而对土壤汞微生物甲基化酶催化过程产生显著影响。

2.3 水旱轮作模式

水旱轮作指在同一田块以不同的作物轮作，或在轮作中采用不同的复种方式进行轮作的一种种植方法；农田利用与养地相结合，是一项能够增加作物产量和有效维护农田生态环境的农业耕作措施[35]。水旱轮作可有效改善土壤理化性质和土壤微生物的群落结构及丰富度。

2.3.1 种植不同作物 水旱轮作模式下旱作季一般种植的作物包括油菜(十字花科)、马铃薯(茄科)和小麦(单子叶禾本科)等。在旱作季种植油菜可极大程度地增加土壤微生物的丰富度。张立成等[36]研究发现，稻-稻-油菜轮作后土壤中α-变形菌、β-变形菌和γ-变形菌较稻-稻连作高；而轮作土壤中的δ-变形菌、酸杆菌、厚壁菌和浮霉菌低于连作。在汞甲基化微生物中硫酸盐还原菌(SRB)属于δ-变形菌，旱作季中汞微生物甲基化以厌氧菌为主，所以旱作季种植油菜可缓解土壤中汞微生物甲基化。旱作季种植马铃薯对于土壤中真菌有显著的影响，而对土壤中细菌种属的影响较低[37]；马铃薯的根系发达，为土壤中的微生物提供有机物，微生物的活性提高，导致汞微生物甲基化进程加快。纪洋等[38]研究发现，在旱作季种植小麦时，除古菌外，旱作季的产甲烷菌、土壤细菌、硝化菌和反硝化菌等低于水作季。铁还原细菌属于古菌，说明在旱作季种植小麦期间，其对于产甲烷菌的无机汞甲基化会产生影响。可见，在旱作季种植不同作物对土壤中汞微生物甲基化有显著影响，其中种植油菜(十字花科)不利于水旱轮作模式旱作季稻田土壤汞微生物甲基化的形成。

2.3.2 不同复种方式 李仲强等[39]研究发现，不同复种方式对土壤微生物好气性细菌总数的影响为药材-双季稻>马铃薯-玉米/瓜-晚稻>大麦/玉米-瓜-晚稻>菜豌豆-双季稻>紫云英-双季稻，而对厌气性细菌总数的影响为大麦/玉米-瓜-晚稻>药材-双季稻>马铃薯-玉米/瓜-晚稻>紫云英-双季稻>菜豌豆-双季稻。因此，在表层土壤汞微生物甲基化的规律为药材-双季稻>马铃薯-玉米/瓜-晚稻>大麦/玉米-瓜-晚稻>菜豌豆-双季稻>紫云英-双季稻，而深层土壤汞微生物甲基化的规律为大麦/玉米-瓜-晚稻>药材-双季稻>马铃薯-玉米/瓜-晚稻>紫云英-双季稻>菜豌豆-双季稻。因为在土壤表层是专性需氧菌进行汞微生物甲基化，而深层土壤处于厌氧环境，是厌氧菌进行汞微生物甲基化。

2.4 其他因素

土层深度对旱作季汞微生物甲基化也有一定的影响。在土层深度为10～20 cm时，总汞和甲基汞含量最高，因在此土层深度范围内，存在大量的微生物和有机质等利于发生汞甲基化反应的条件，有利于促进甲基汞的生成[2]。同时，旱作季不同季节对于汞微生物甲基化也存在一定的影响，因为秋季水稻收割后稻田土壤积累大量的有机物，微生物量一般在冬季达峰值；而春天气温回暖微生物活动增强，当土壤中的能量被大量消耗之后，供应不了更多微生物的生长需求，导致微生物量急剧下降。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]对万山汞矿区稻田土壤研究发现，在高汞稻田土壤中，秸秆还田对无机汞的甲基化具有促进作用，土壤甲基汞浓度与溶解性有机碳成正相关性，原因可能是秸秆还田后导致稻田土壤理化性质发生改变，尤其是有机质和腐殖质含量急剧增加。此外，张定熙等[41]研究表明，还田秸秆长度越小，土壤中的甲基汞含量越高，其原因是秸秆长度越小其降解越快，可为微生物提供足够的营养物质，微生物的活性提高[42]。环境因素对汞微生物甲基化是相互的，各要素之间密切联系，同时对汞微生物甲基化作用的能力也不尽相同，其特殊的影响过程仍需进一步深入研究。

3 展望

目前，国内外学者研究的领域主要集中在汞的地球化学循环以及汞的甲基化形成机理，水旱轮作模式下种植水稻期间的汞微生物甲基化的形成机制和水稻对于甲基汞的富集作用[43]。而水旱轮作模式下旱作季的稻田土壤汞微生物甲基化的相关研究还局限于汞微生物甲基化的机制和无机汞转化为甲基汞的影响因素，并取得了一定的成果。但对旱作季中微生物的去甲基化机制的研究相对缺乏，相关的微生物汞甲基化机理和与其对应的控制因素仍不清晰。因此，在这些方面的研究需要进一步的加强，如水旱轮作模式下稻田旱作季土壤汞的微生物去甲基化机制、旱作季中土壤微生物的群落结构特征和种群丰富度、不同微生物对于汞甲基化的基因表达和核酸翻译等，以及水旱轮作模式下稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的影响因素等。同时，更应将水旱轮作模式下旱作季稻田土壤汞微生物甲基化研究理论转化到实际应用中，如何缓解土壤中汞微生物甲基化以及旱作季不同作物对汞甲基化的影响，水旱轮作模式下旱作季的种植作物与水作季种植水稻的汞微生物甲基化有何联系等均是未来的重点研究方向。而对于微生物汞的去甲基化机制、不同轮作模式对微生物汞甲基化和去甲基化机制的影响，合理筛选旱作季种植的作物，并结合相关的生态经济损益分析等方面的研究还应受到广泛关注。