水稻种植是东南亚各国主要的农田利用方式,稻米是当地居民的主食。食用稻米已成为我国西南汞矿区居民甲基汞暴露的主要途径。有研究证实,水稻体内的甲基汞主要来源于土壤,且根际土壤甲基汞含量是控制水稻各部位甲基汞含量高低的关键因素。稻田被证实为陆生生态系统中重要的甲基汞“源”,汞矿区稻田土壤汞的甲基化作用是陆地生态系统汞的生物地球化学循环的重要环节。稻田系统中汞的生物地球化学循环过程非常复杂,系统性的研究非常匮乏,可利用的数据非常有限。到论文工作开展以前,有关汞污染区稻田土壤中汞的甲基化/去甲基化速率的研究仍是空白。本研究选择贵州万山汞矿区不同污染类型的两组水稻田为研究对象,包括:1)土法炼汞区水稻田(垢溪),该研究点具有高汞大气、低汞土壤的特点;2)废弃汞矿区水稻田(五坑),该研究点具有低汞大气、高汞污染土壤的特点。本研究主要开展了以下3方面的工作:1)了解汞矿区稻田体系各组成部分(大气、大气降雨、灌溉水、上覆水和土壤)中汞的分布特征,探索汞的迁移转化过程;2)利用单一稳定汞同位素加入法(202HgCl2和Me198HgCl),测定稻田土壤中汞的甲基化/去甲基化速率;3)通过测定土壤剖面孔隙水中的可溶性有机碳(DOC)、二价硫离子(S2-)、硫酸根离子(SO42-)、和铁离子(Fe2+和Fe3+)的含量,以及稻田土壤有机质含量(OM)、pH值等理化参数,分析稻田土壤汞甲基化/去甲基化作用的主要影响因素,为汞矿区稻田污染修复和保证稻米食用安全提供可靠的数据支持。主要研究结果如下:(1)本研究发现,水稻生长期间,土法炼汞区稻田上覆水中甲基汞占总汞的比例最高可达到11%,并且土法炼汞区稻田上覆水中甲基汞占总汞的比例均值(5.9±4.4%)高于对应的稻田灌溉水(0.71±0.93%)和雨水(0.031±0.028%)。然而,水稻生长期间,废弃汞矿区稻田上覆水中甲基汞占总汞的比例均值(0.48±0.63%)与对应的稻田灌溉水(0.45±0.52%)和雨水(0.16±0.20%)间没有明显的差异。上述统计结果暗示,水稻生长期间,土法炼汞区稻田中存在活跃的净甲基化作用;相对而言,废弃汞矿区稻田中汞的净甲基化作用较弱。(2)在水稻生长期间,尽管废弃汞矿区稻田土壤总汞含量(38±4.8 mg kg-1)远高于对应的土法炼汞区(3.2±0.75 mg kg-1),但是废弃汞矿区稻田土壤甲基汞含量却低于土法炼汞区稻田土壤甲基汞含量。尤其是对比两个采样点表层土壤(0~2 cm)中甲基汞的含量分布特征发现,土法炼汞区稻田表层土壤中具有较高含量的甲基汞和较高的甲基汞占总汞的比例,这进一步表明土法炼汞区稻田土壤中存在活跃的甲基化作用。统计分析发现,土法炼汞区稻田土壤总汞浓度和对应的甲基汞浓度间存在极显著正相关关系(r=0.53,p<0.001,n=50),表明土法炼汞区稻田土壤中总汞含量是无机汞甲基化作用的重要控制因素;然而,废弃汞矿区稻田土壤中无机汞甲基化作用是不受控于土壤总汞含量(r=-0.033,p=0.82,n=50)。(3)水稻生长期间,土法炼汞区和废弃汞矿区通过降雨进入稻田表层土壤的总汞沉降量分别为17975mgha-1和3078mgha-1;对应的灌溉水中总汞的输入通量分别为428mgha-1和1382mgha-1。水稻生长期间,土法炼汞区高含量的大气干/湿沉降的“新”汞一旦进入稻田土壤,在适当环境中(如低ph和厌氧环境)通过甲基化作用易于被转化为高神经毒素的甲基汞,导致土法炼汞区稻田表层土壤中存在较高含量的甲基汞。(4)统计分析发现,土法炼汞区和废弃汞矿区稻田土壤中甲基汞的浓度与甲基化速率常数(km)间存在显著正相关关系(r=0.44,p=0.01,n=30;r=0.61,p<0.001,n=30),与对应的去甲基化速率常数间(kd)间存在显著负相关关系(r=-0.53,p=0.002,n=30;r=-0.45,p=0.01,n=30),这表明稻田土壤中甲基汞的浓度是甲基化过程和去甲基化过程共同作用的结果。此外,稻田土壤中甲基汞的含量与净甲基化潜力(km/kd)间具有显著的正相关关系(土法炼汞区r=0.69,p<0.001,n=30;废弃汞矿区r=0.52,p=0.003,n=30),说明净甲基化潜力在一定程度上可反映稻田土壤中甲基汞的浓度水平。土法炼汞区稻田土壤的甲基化速率较高而对应的去甲基化速率较低,其净甲基化潜力(km/kd)也相应的处于相对较高的水平(尤其是在表层土壤),最终导致土法炼汞区稻田土壤甲基汞含量高于对应的废弃汞矿区。相比之下,废弃汞矿区稻田土壤甲基化速率较低而去甲基化速率相对较高,其净甲基化潜力处于相对较低的水平(与土法炼汞区相比)。(5)硫酸盐还原菌在呼吸过程中同时伴随着硫离子(s2-)的生成,因此,土法炼汞区稻田土壤孔隙水中硫离子(s2-)浓度最高值位于表层土壤(0~2cm),这也侧面证明该区域的硫酸盐还原菌具有较高的活性。土法炼汞区稻田土壤汞的净甲基化潜力(km/kd)与对应的土壤孔隙水中硫酸根离子(so42-)间具有极显著的正相关关系(r=0.84,p<0.001,n=30),这说明,硫酸根离子作为电子给体在很大程度上促进了硫酸盐还原菌呼吸过程中无机汞的甲基化作用。废弃汞矿区稻田土壤孔隙水中二价铁离子的含量与对应的硫酸根离子浓度间存在极显著的负相关关系(r=-0.47,p<0.001,n=30),这暗示二价铁离子可通过与硫离子结合生成难溶的硫化铁(fes)沉淀,抑制微生物作用下的不同形态硫之间的转化,并可以固定孔隙水中的汞离子,从而抑制无机汞的甲基化过程。(6)土法炼汞区和废弃汞矿区稻田土壤中的生物可利用态汞(f1:水溶态&可交换态汞)所占总汞比例都很低,约为0.28%和0.15%,但该形态被认为是土壤中危害最大的汞形态。统计分析结果表明,土法炼汞区稻田土壤甲基汞含量与对应的生物可利用态汞(f1)间存在极显著的正相关关系(r=0.81,p<0.001,n=50),这暗示生物可利用态汞(f1)是无机汞甲基化作用的重要控制因素。综上所述,土法炼汞区稻田表层土壤中具有较高含量甲基汞的原因是:1)土法炼汞区稻田表层土壤中存在相对活跃的净甲基化作用;2)土法炼汞区干湿沉降中高含量的汞,为表层土壤中微生物甲基化作用提供了充足的活性较高的汞“源”。稻田土壤甲基汞的净产率同时受微生物活性和汞形态组成的共同作用。硫酸盐还原过程是汞矿区稻田土壤汞甲基化过程的重要代谢途径;稻田土壤中生物可利用态汞的的来源及含量是甲基汞净产率的主要控制因素;其中,来自大气沉降的“新”汞更易于在淹水的稻田土壤中通过微生物作用被转化为甲基汞。基于此,为了减少甲基汞在稻米中的富集程度,我们建议在水稻种植区域,应尽量削减由工业和汞矿冶炼活动所造成的大气汞排放。