水旱輪作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的研究進(jìn)展

李 浪， 朱金山*

(1.長(zhǎng)江師范學(xué)院 綠色智慧環(huán)境學(xué)院， 重慶 408100； 2.長(zhǎng)江師范學(xué)院 三峽庫(kù)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心， 重慶 408100)

水旱輪作是我國(guó)一直普遍采用的耕作模式，也是我國(guó)南方大部分地區(qū)的主要耕作方式之一。我國(guó)水旱輪作的稻田面積已達(dá)1 400萬(wàn)hm2，占全國(guó)總稻田面積的35%左右。水稻作為當(dāng)今世界的主要糧食作物，并且我國(guó)是世界上最大的水稻種植國(guó)，稻米產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)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(diǎn)。自然條件下，汞通常都以無(wú)機(jī)形態(tài)存在，在生物和微生物的作用下，無(wú)機(jī)汞可轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的甲基汞。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，水稻具有非常強(qiáng)的甲基汞富集能力，水稻植株內(nèi)的甲基汞主要來(lái)源于稻田土壤，導(dǎo)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(wú)機(jī)汞甲基化的主要途徑，稻田土壤中無(wú)機(jī)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(guān)。水旱輪作模式由于水分、溫度及氧化還原電位等條件產(chǎn)生劇烈變化，從而影響土壤中汞的轉(zhuǎn)化、遷移和積累等[6]。水旱輪作模式旱作季種植的農(nóng)作物不同將對(duì)土壤理化性質(zhì)及微生物區(qū)系產(chǎn)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(bào)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(jìn)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(chǎn)應(yīng)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(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌三大菌類作用產(chǎn)生。其中，硫酸鹽還原菌(SRB)是一類形態(tài)及營(yíng)養(yǎng)多樣化的異養(yǎng)型厭氧菌，已發(fā)現(xiàn)的硫酸鹽還原菌有12個(gè)屬近40余個(gè)種[7]；鐵還原細(xì)菌廣泛分布在細(xì)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(xì)菌(Anaeromyxobacter)和地桿菌(Geobacter)等[8-10]；產(chǎn)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(gè)嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，厭氧微生物對(duì)汞的甲基化起主導(dǎo)作用。其中，以硫酸鹽還原細(xì)菌(SRB)和產(chǎn)甲烷菌為無(wú)機(jī)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(duì)較高，其與THg和MeHg濃度增加呈正相關(guān)[11]。稻田土壤中根際和非根際土壤的有機(jī)質(zhì)濃度、氧含量和氧化還原電位等理化性質(zhì)不同，SRB數(shù)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(chǎn)生甲基汞[12-13]。早期研究表明，產(chǎn)甲烷菌具有使汞甲基化的能力，能產(chǎn)生甲基鈷胺素，而Hg2+唯一的甲基供體來(lái)源就是甲基鈷胺素，將無(wú)機(jī)汞轉(zhuǎn)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(duì)汞的甲基化作用及其影響因素發(fā)現(xiàn)，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(jìn)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(gè)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(wú)機(jī)汞轉(zhuǎn)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(wú)機(jī)汞轉(zhuǎn)化為甲基汞。向玉萍[16]研究發(fā)現(xiàn)，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(wú)機(jī)汞轉(zhuǎn)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(duì)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(shuō)明專性需氧菌株會(huì)導(dǎo)致土壤發(fā)生汞甲基化；此階段專性需氧菌株的數(shù)量與土壤甲基汞(MeHg)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r2=0.68,p=0.02)，進(jìn)一步說(shuō)明汞甲基化主要由專性需氧菌株主導(dǎo)；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(huì)產(chǎn)生5-甲基四氫葉酸或S-腺苷甲硫氨酸所需要的甲基基團(tuán)，相應(yīng)的甲基基團(tuán)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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)汞可能轉(zhuǎn)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(jī)質(zhì)、溫度和氧化還原條件等理化性質(zhì)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(xiàn)，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(jī)質(zhì)成分較多，其中溶解性有機(jī)質(zhì)可改變土壤微生物的活性，從而提高微生物的甲基化。有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)下，汞甲基化進(jìn)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(dǎo)致汞微生物甲基化進(jìn)程發(fā)生變化，在32℃時(shí)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(shí)，可促進(jìn)汞微生物甲基化的進(jìn)程，同時(shí)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(nóng)藥的施用及輪作模式等均會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)和微生物的群落結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)和改善土壤的緊實(shí)度和透氣性，有利于旱作季作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解釋放，從而加快微生物的生長(zhǎng)代謝過程。不同耕作方式對(duì)稻田土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。在不同耕作制度中，免耕是一種重要的保護(hù)性耕作技術(shù)，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(zhì)。保護(hù)性耕作對(duì)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(shí)施保護(hù)性耕作措施時(shí)土壤覆蓋物會(huì)阻擾太陽(yáng)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(duì)于土壤的酸堿度影響存在差異。在長(zhǎng)期免耕條件下，土層深度較淺(0.5～5 cm)時(shí)pH降低，而土層深度在10～30 cm時(shí)pH升高；但也有研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)耕作土壤pH高于保護(hù)性耕作土壤。土壤有機(jī)質(zhì)在耕作過程中亦出現(xiàn)顯著變化，常規(guī)耕作方式對(duì)土壤的擾動(dòng)較大，能使土壤微生物與有機(jī)質(zhì)充分接觸，有利于微生物分解有機(jī)質(zhì)；而保護(hù)性耕作方式對(duì)土壤的擾動(dòng)減小，也不利于微生物進(jìn)行新陳代謝。有學(xué)者認(rèn)為，常規(guī)耕作可改善土壤不同層次有機(jī)質(zhì)的分布，而保護(hù)性耕作方式下有機(jī)質(zhì)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(zhì)和微生物的群落特征發(fā)生變化，導(dǎo)致無(wú)機(jī)汞轉(zhuǎn)化為甲基汞的途徑發(fā)生改變。耕作方式不僅對(duì)土壤微生物的總量產(chǎn)生顯著影響，還對(duì)土壤微生物的群落特征和豐富度產(chǎn)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(shù)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(xiàn)，水旱輪作模式土層深度相同時(shí)，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(duì)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(shí)水旱輪作模式下旱作季稻田進(jìn)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?yàn)閴抛髅飧欣谕寥绤捬鯒l件的形成，促進(jìn)汞微生物甲基化，而常規(guī)平作對(duì)土壤產(chǎn)生擾動(dòng)，破壞了其內(nèi)部的厭氧環(huán)境。

2.2 肥料與農(nóng)藥的施用

卜洪震等[28-29]研究發(fā)現(xiàn)，施用化學(xué)肥料及有機(jī)肥與化學(xué)肥料配施較不施肥土壤中微生物總量均顯著提高。同時(shí)施用化學(xué)肥料、有機(jī)肥與化肥配合施用對(duì)土壤微生物量增加的影響為無(wú)肥處理<化肥<常規(guī)施肥<30%有機(jī)肥+化肥<60%有機(jī)肥+化肥。施用化學(xué)肥料后，一是作物的根系更為發(fā)達(dá)，為土壤中的微生物提供了充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而微生物的生長(zhǎng)代謝加快；二是土壤的緊實(shí)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(jī)肥使土壤中的根系量和有機(jī)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(jù)主導(dǎo)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(shù)量與甲基汞的產(chǎn)生量具有相同的變化趨勢(shì)，二者呈顯著的正相關(guān)性(R2=0.57,P<0.01)[31]。

農(nóng)藥具有一定的毒效性，不同種類農(nóng)藥對(duì)土壤微生物的影響不同。大量研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥對(duì)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(duì)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(duì)深層土壤中厭氧菌的汞甲基化途徑不受影響。還有部分農(nóng)藥影響土壤酶的活性[33-34]，進(jìn)而對(duì)土壤汞微生物甲基化酶催化過程產(chǎn)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(fù)種方式進(jìn)行輪作的一種種植方法；農(nóng)田利用與養(yǎng)地相結(jié)合，是一項(xiàng)能夠增加作物產(chǎn)量和有效維護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的農(nóng)業(yè)耕作措施[35]。水旱輪作可有效改善土壤理化性質(zhì)和土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)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(xiàn)，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(duì)于土壤中真菌有顯著的影響，而對(duì)土壤中細(xì)菌種屬的影響較低[37]；馬鈴薯的根系發(fā)達(dá)，為土壤中的微生物提供有機(jī)物，微生物的活性提高，導(dǎo)致汞微生物甲基化進(jìn)程加快。紀(jì)洋等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在旱作季種植小麥時(shí)，除古菌外，旱作季的產(chǎn)甲烷菌、土壤細(xì)菌、硝化菌和反硝化菌等低于水作季。鐵還原細(xì)菌屬于古菌，說(shuō)明在旱作季種植小麥期間，其對(duì)于產(chǎn)甲烷菌的無(wú)機(jī)汞甲基化會(huì)產(chǎn)生影響?？梢?，在旱作季種植不同作物對(duì)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(fù)種方式 李仲?gòu)?qiáng)等[39]研究發(fā)現(xiàn)，不同復(fù)種方式對(duì)土壤微生物好氣性細(xì)菌總數(shù)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(duì)厭氣性細(xì)菌總數(shù)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?yàn)樵谕寥辣韺邮菍Ｐ孕柩蹙M(jìn)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(jìn)行汞微生物甲基化。

2.4 其他因素

土層深度對(duì)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(shí)，總汞和甲基汞含量最高，因在此土層深度范圍內(nèi)，存在大量的微生物和有機(jī)質(zhì)等利于發(fā)生汞甲基化反應(yīng)的條件，有利于促進(jìn)甲基汞的生成[2]。同時(shí)，旱作季不同季節(jié)對(duì)于汞微生物甲基化也存在一定的影響，因?yàn)榍锛舅臼崭詈蟮咎锿寥婪e累大量的有機(jī)物，微生物量一般在冬季達(dá)峰值；而春天氣溫回暖微生物活動(dòng)增強(qiáng)，當(dāng)土壤中的能量被大量消耗之后，供應(yīng)不了更多微生物的生長(zhǎng)需求，導(dǎo)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(duì)萬(wàn)山汞礦區(qū)稻田土壤研究發(fā)現(xiàn)，在高汞稻田土壤中，秸稈還田對(duì)無(wú)機(jī)汞的甲基化具有促進(jìn)作用，土壤甲基汞濃度與溶解性有機(jī)碳成正相關(guān)性，原因可能是秸稈還田后導(dǎo)致稻田土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，尤其是有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)含量急劇增加。此外，張定熙等[41]研究表明，還田秸稈長(zhǎng)度越小，土壤中的甲基汞含量越高，其原因是秸稈長(zhǎng)度越小其降解越快，可為微生物提供足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，微生物的活性提高[42]。環(huán)境因素對(duì)汞微生物甲基化是相互的，各要素之間密切聯(lián)系，同時(shí)對(duì)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(jìn)一步深入研究。

3 展望

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的領(lǐng)域主要集中在汞的地球化學(xué)循環(huán)以及汞的甲基化形成機(jī)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(jī)制和水稻對(duì)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(guān)研究還局限于汞微生物甲基化的機(jī)制和無(wú)機(jī)汞轉(zhuǎn)化為甲基汞的影響因素，并取得了一定的成果。但對(duì)旱作季中微生物的去甲基化機(jī)制的研究相對(duì)缺乏，相關(guān)的微生物汞甲基化機(jī)理和與其對(duì)應(yīng)的控制因素仍不清晰。因此，在這些方面的研究需要進(jìn)一步的加強(qiáng)，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(jī)制、旱作季中土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)特征和種群豐富度、不同微生物對(duì)于汞甲基化的基因表達(dá)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(shí)，更應(yīng)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(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)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(duì)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(lái)的重點(diǎn)研究方向。而對(duì)于微生物汞的去甲基化機(jī)制、不同輪作模式對(duì)微生物汞甲基化和去甲基化機(jī)制的影響，合理篩選旱作季種植的作物，并結(jié)合相關(guān)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)損益分析等方面的研究還應(yīng)受到廣泛關(guān)注。