Organic fertilizer amendment increases methylmercury accumulation in rice plants  

有機肥料改良增加水稻植株中甲基汞積累  

來源 Chemosphere 249 (2020) 126166

《環境科學》第249卷，2020年，文章編號126166  

 

摘要

本文通過盆栽實驗和微觀模擬實驗，揭示了雞糞（CH）和牛糞（CO）兩種有機肥料對新沉積汞（Hg）污染稻田土壤中甲基汞（MeHg）生成及水稻積累的影響。研究發現：  

1. 有機肥料（0.1-1%添加量）使土壤MeHg濃度增加34-143%，稻米MeHg積累量最高增加203%（圖2C）。  

 

2. 有機肥料通過提高汞的生物有效性（溶解態Hg↑）和微生物甲基化活性（hgcA基因拷貝數↑），促進MeHg生成（圖3A, 圖4）。  

 

 

3. 稻米MeHg含量超中國國家標準（20μg/kg）18-24倍，存在食品安全風險。  

 

研究目的

 

1. 探究有機肥料（雞糞/牛糞）對稻田土壤MeHg生成及水稻積累的影響。  

2. 闡明有機肥料調控MeHg生物積累的機制（汞形態轉化、微生物甲基化作用）。  

 

研究思路

 

1. 盆栽實驗：  

   ? 在Hg污染土壤（10 mg/kg HgCl?）中添加0.1-1%雞糞（CH）或牛糞（CO），種植水稻至成熟期。  

 

   ? 測定土壤/水稻各部位（根、莖葉、籽粒）MeHg含量（圖1-2）。  

 

2. 微觀實驗I：  

   ? 模擬淹水條件，監測添加有機肥后土壤pH、氧化還原電位（Eh）、溶解性硫化物動態變化。  

 

   ? 使用丹麥Unisense電極原位測量pH、Eh和硫化氫。  

 

3. 微觀實驗II：  

   ? 探究硫化物與汞摩爾比對溶解態Hg和土壤MeHg的影響（圖3）。  

 

4. 微生物分析：  

   ? 定量hgcA基因（汞甲基化功能基因）豐度（圖4），分析微生物群落組成。  

 

測量的數據及研究意義

 

1. 土壤與水稻MeHg濃度（圖1B, 圖2）  

   ? 數據：有機肥使土壤MeHg增加34-143%（圖1B），稻米MeHg增加166-203%（圖2C）。  

 

   ? 意義：首次量化有機肥料對稻米MeHg積累的促進作用，揭示其食品安全風險。  

 

2. 溶解態Hg與硫化物關系（圖3）  

   ? 數據：高硫汞比（S:Hg >4:1）下溶解態Hg顯著增加（圖3A），土壤MeHg升高50%（圖3B）。  

 

   ? 意義：證實硫化物通過形成Hg-S絡合物提高汞生物有效性，驅動MeHg生成。  

 

3. 微生物甲基化活性（圖4）  

   ? 數據：hgcA基因拷貝數在CH處理中顯著增加（圖4）；Syntrophobacteraceae和Desulfovibrionaceae（硫酸鹽還原菌）豐度上升。  

 

   ? 意義：有機肥通過富集甲基化微生物（尤其硫酸鹽還原菌）直接促進MeHg合成。  

 

4. 土壤理化參數  

   ? 數據：有機肥降低土壤Eh（-150至-200 mV），維持強還原環境。  

 

   ? 意義：厭氧條件耦合硫化物生成，共同優化Hg甲基化微環境。  

 

結論

 

1. 風險機制：有機肥料通過雙重途徑增加稻米MeHg：  

   ? 釋放溶解態Hg（硫化物絡合作用）  

 

   ? 富集汞甲基化微生物（如Desulfovibrio spp.）  

 

2. 應用警示：在汞污染稻田（尤其新沉積Hg土壤）施用有機肥需謹慎，雖能增產10-23%，但導致稻米MeHg超標18-24倍。  

3. 政策建議：需制定稻米MeHg安全標準（中國現行僅限總汞）。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

技術應用：  

? 采用Unisense pH-100和Redox 100微電極（直徑1mm），原位監測土壤剖面pH和Eh動態。  

 

核心發現：  

1. 實時動態數據  

   ? 電極數據顯示：有機肥使土壤Eh持續降至-200 mV，證實其強化厭氧環境。  

 

   ? 意義：厭氧條件是硫酸鹽還原菌（甲基化關鍵菌群）活性的必要條件，直接關聯MeHg生成。  

 

2. 硫化物-汞耦合機制  

   ? 電極監測硫化氫濃度，結合微觀實驗II（圖3），揭示：  

 

     ? 低硫汞比（S:Hg <1:4）促進HgS沉淀，降低MeHg生成。  

 

     ? 高硫汞比（S:Hg >4:1）形成溶解性Hg-S絡合物，增加汞生物有效性。  

 

   ? 意義：定量驗證硫化物濃度對汞形態轉化的閾值效應，為預測MeHg風險提供關鍵參數。  

 

方法論價值：  

? 克服傳統破壞性采樣誤差，實現土壤微環境原位實時監測，精準捕捉Eh/pH/硫化物的協同變化。  

 

? 為解析"有機肥–厭氧環境–微生物甲基化"的因果鏈提供直接證據，凸顯其在汞生物地球化學研究中的不可替代性。