環境生物膜中的汞甲基化

發布時間：2021-09-04所屬分類：農業論文瀏覽：1405次

摘 要： 摘 要 汞是嚴重危害食品安全及人體健康的全球性重金屬污染物，揭示具有強生物毒性的甲基汞的生成和累積機制是汞污染研究領域的熱點和難點.生物膜中無機汞的甲基化是環境中甲基汞污染的主要來源和甲基汞進入食物鏈的起點，但是目前學術界對汞甲基化機制的認知

　　摘　要　汞是嚴重危害食品安全及人體健康的全球性重金屬污染物，揭示具有強生物毒性的甲基汞的生成和累積機制是汞污染研究領域的熱點和難點.生物膜中無機汞的甲基化是環境中甲基汞污染的主要來源和甲基汞進入食物鏈的起點，但是目前學術界對汞甲基化機制的認知多基于浮游態純菌實驗，無法準確模擬生物膜中汞的甲基化過程.本文從生物膜中汞甲基化的生化分子路徑、無機汞的化學形態和甲基化微生物的活性這三個決定汞甲基化過程的關鍵因素出發，詳細闡述了目前生物膜中汞甲基化的研究現狀、存在問題以及擬解決問題的技術手段，并對未來在該領域的研究工作進行了展望.生物膜中汞甲基化機制的研究可為深入理解甲基汞的環境累積過程，提高汞污染風險分析的準確性，開發有效的汞污染風險防控技術提供科學依據和數據支撐.

　　關鍵詞　生物膜，汞甲基化，生化路徑，汞化學形態，微生物活性

　　汞(Hg)是一種生物非必需的重金屬元素，由于其具有長距離遷移性、生物累積性、高毒性等特點，已經被聯合國環境規劃署(UNEP)列為全球性的污染物[1].在自然環境中，汞元素以無機汞(如零價汞單質、二價汞鹽等)和有機汞(如甲基汞、乙基汞等)形態存在，并且在環境條件下會發生相互轉化.不同化學形態汞的物理化學性質和生物毒性差異顯著，甲基汞(MeHg)是對人類和環境健康威脅最大的含汞化合物.甲基汞具有極強的神經毒性，在食物鏈和生物圈中易發生富集、放大效應[2−3]，海產品和農作物中的甲基汞嚴重威脅食品安全和人類健康[4−5].正確認識自然環境中甲基汞的生成和累積過程是汞污染研究領域的熱點和難點，同時也是有效防治全球性汞污染的核心環節之一.

　　食物鏈中累積的甲基汞主要來自于環境中廣泛分布的厭氧菌所驅動的無機汞甲基化過程[6].生物膜(biofilm)是水生食物鏈的重要基礎，代表著細菌和古菌在自然環境中的主要生存方式[7]，驅動了眾多元素的生物地球化學循環過程[8].在環境汞循環過程中，生物膜參與汞的還原、氧化、甲基化和去甲基化等形態轉化過程[9−10].進入到生物膜中的二價汞可經由微生物的還原作用形成零價汞后擴散、揮發進入周圍環境;在DesulfovibriodesulfuricansND132等微生物的作用下，零價汞也會被氧化為二價汞[11];同時，生物膜是驅動零價、二價無機汞與甲基汞之間相互轉化的重要環境介質.由于生物膜是食物鏈中甲基汞的重要來源，Branfireun等將生物膜添加到了最新總結的淡水生態系統汞的循環模型中[9]，但是目前關于生物膜在汞的環境轉化過程，特別是甲基化過程中的作用仍缺乏系統認識.

　　在甲基汞微生物合成機制的前期研究中，大多采用了浮游態細菌培養物進行實驗，然而有研究表明，生物膜內部微生物細胞的生活習性、生理代謝途徑等明顯不同于浮游態細胞，生物膜中發生的生化過程無法通過研究浮游態細胞進行準確預測[12].此外，研究發現，沉積物、周叢生物、水生植物等附著的生物膜中甲基汞占總汞的比例約為10%，明顯高于外部水環境[10].與厭氧區域的沉積物和含水層相比，生物膜中汞甲基化速率往往高出1—2個數量級[13−14].這些表明生物膜中可能存在不同于浮游態微生物的汞甲基化作用機制.生物膜是甲基汞生成的重要環境介質和甲基汞在食物鏈中富集的起點，明確生物膜中汞甲基化過程的作用機制是有效保障食品安全，控制汞污染健康風險的重要前提，甲基汞在生物膜中的生成機制亟待進一步系統研究.

　　1生物膜中汞甲基化的研究現狀和存在問題(Currentunderstandingandremainingquestionsofmercurymethylationinbiofilms)

　　國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)對生物膜的定義：生物膜是粘附于固體表面并被微生物細胞自身產生的胞外多聚物(extracellularpolymericsubstances,EPS)所包裹的微生物細胞的聚集體[15].自然環境中絕大多數微生物，特別是活性最強的群體，多以生物膜的形式存在[16]，生物膜的平均細胞密度大約為1014cells·dm−3[17].作為汞甲基化最為活躍的環境介質之一，海洋表層沉積物中以生物膜形式附著生長的細胞豐度高出浮游態2—3個數量級[7].Cleckner等報道了周叢生物附著生物膜是沼澤濕地地區中甲基汞生成的新位點[18].研究發現，當硫酸鹽還原菌(Desulfovibriodesulfuricans)形成生物膜后，其將無機汞轉化為甲基汞的速率比浮游態細菌高出近10倍[14].這些研究表明生物膜是自然環境中一個潛在的汞甲基化熱點區域.

　　后續調查研究發現，不同生物膜中甲基汞的累積程度差異較大，例如美國地質調查局(USGS)和美國環境保護局(USEPA)曾聯合開展一項關于河流中汞循環的調查研究發現，表層沉積物附著生物膜中甲基汞的平均濃度大約是卵石和沉木附著生物膜的20倍[19].不同生物膜中計算得到的汞甲基化速率常數(km)和甲基化效率(MeHg/THg)也存在較大差異，如表1所示.造成這種差異的一個可能原因是不同生物膜中主導甲基汞產生的微生物種類不同，例如湖濱巖石帶生物膜中硫酸鹽還原菌對甲基汞產量貢獻了約60%[20]，而湖泊水生植物附著的生物膜中產甲烷菌在甲基汞生成過程中起關鍵作用[21]，此外附著生物膜中的藻類微生物被發現具有增強厭氧菌汞甲基化的能力[22].

　　上述調查和研究結果表明，生物膜中微生物汞甲基化反應機制可能不同于浮游態微生物.進一步的研究發現，季節、溫度、光照、溶解氧、有機質、營養鹽等外部環境條件均會影響生物膜中汞甲基化過程[30−33,36].除了外部環境條件外，微生物汞甲基化的生化分子路徑、無機汞的化學形態和甲基化微生物的活性是決定微生物汞甲基化過程的三個關鍵內部因素[35,37].因此，系統地闡明這三個關鍵因素如何影響汞甲基化過程，是生物膜中微生物汞甲基化研究的重點(圖1).圖1影響生物膜中汞甲基化的關鍵因素Fig.1Keyfactorsaffectingmercurymethylationinbiofilmsx期張展華等：環境生物膜中的汞甲基化3環境1.

　　1生物膜中汞甲基化的生化分子路徑

　　Jensen和Jernelöv首次通過實驗驗證了沉積物中汞甲基化作用主要是由微生物導致的[38].隨后陸續發現了產甲烷菌、硫酸鹽還原菌、鐵還原菌等具有汞甲基化能力的微生物[39−41].早期研究發現，完全氧化型硫酸鹽還原菌利用乙酰輔酶A途徑將甲基-四氫葉酸(CH3-THF)的甲基轉移到一種類咕啉蛋白質上，然后通過一氧化碳脫氫酶(CODH)催化進行汞甲基化反應[42−43].然而，非完全氧化型硫酸鹽還原菌不利用乙酰輔酶A途徑也可以進行汞甲基化反應，這表明硫酸鹽還原菌可能存在多種汞甲基化生化路徑[44−45].起初，不同種群的微生物的汞甲基化分子機制并不清楚，直到Parks等首次報道了微生物汞甲基化基因hgcA和hgcB才揭示了汞的微生物甲基化遺傳機制[46].hgcA基因編碼一種類咕啉蛋白(HgcA)，hgcB基因則編碼一種鐵氧化還原蛋白(HgcB)共同參與汞甲基化反應.推測的甲基化過程：CH3-THF將甲基轉移給Co(Ⅰ)-HgcA形成CH3-Co(Ⅲ)-HgcA，隨后CH3-Co(Ⅲ)-HgcA將甲基提供給Hg(Ⅱ)完成汞甲基化，自身則接收HgcB蛋白提供的電子還原為Co(Ⅰ)-HgcA，重新參與到反應中.hgcA和hgcB基因在目前已知的的汞甲基化微生物中均有發現，這也讓其成為微生物汞甲基化的必要條件[47].

　　在相同的環境條件下，與浮游態微生物相比，生物膜中與細胞生理功能和代謝途徑相關的基因可能會顯著上調，從而導致生物膜與浮游態微生物具有明顯的表型差異[48−49].盡管目前浮游態微生物汞甲基化的分子機制已經相對清晰，但是作為環境中微生物普遍生存方式的生物膜中汞甲基化的生化路徑卻少有研究.目前，僅有Lin等利用非完全氧化型硫酸鹽還原菌DesulfovibriodesulfuricansM8和ND132形成生物膜，對比考察了生物膜形態和浮游形態的汞甲基化生化路徑的差異[35].在抑制了乙酰輔酶A途徑后，浮游態微生物汞甲基化速率未受顯著影響，而生物膜中的汞甲基化速率降低了50%.而且，生物膜中編碼CODH酶的cooS基因表達量是浮游態細菌的4倍，進一步證明了乙酰輔酶A途徑是生物膜中汞甲基化的重要機制.乙酰輔酶A途徑的存在可能是導致生物膜中汞甲基化速率比浮游態細菌更高的原因之一.

　　生物膜并不是單個微生物的簡單堆砌聚集，生存在生物膜中的微生物具有明顯的社會性，微生物細胞之間會進行復雜的通訊交流.群體感應、第二信使分子等信號調節系統會啟動或抑制相關基因的表達，調控微生物多種重要生理功能，如調節中心代謝、影響生物膜形成、控制芽胞發育等以適應環境條件的改變，從而使微生物群體實現單一微生物無法完成的生理功能或行為[50−51].但是，在生物膜的汞甲基化過程中，群體感應、第二信使分子等信號調節系統是否會起作用，是否會導致生物膜中厭氧菌采取不同于浮游態細胞的甲基化生化路徑有待于進一步的研究.

　　1.2胞外多聚物對無機汞化學形態的影響

　　生物膜細胞周圍包裹著大量由細胞自身產生的生物大分子組成的聚合物，稱為胞外多聚物(EPS).胞外多聚物對于生物膜的存在至關重要，起到粘附支撐生物膜、保持水分、提供防護屏障、吸附有機和無機物質，維持營養等作用[52].胞外多聚物主要含有蛋白質、多糖和胞外核酸等生物大分子，其組成和結構具有高度的異質性，受微生物種類、生長階段、營養條件、溫度、pH值等多種因素的影響[53].胞外多聚物具有芳香結構及羧基、羥基、醛基、巰基等豐富的官能團，會通過化學絡合、靜電作用等方式從水中快速富集Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)等重金屬元素[54−56]，對重金屬環境行為產生顯著影響.

　　傳統的預測甲基汞生物合成的量化模型中，只有溶解態、電中性、憎水性形態的含汞絡合物(Hg(HS)20和HgS0(aq))可以作為甲基汞的前體物質進入微生物細胞內部參與甲基汞的生物合成[57−58].然而最新研究發現，除了溶解態絡合物，當無機汞以納米顆粒物[59−60]和零價汞[11,61]形態存在時，其也可以被厭氧菌利用產生甲基汞，甲基化效率低于溶解態絡合物.無機汞的化學形態直接決定了汞的生物可利用性.

　　胞外多聚物如何影響無機汞的吸附、還原、沉淀等形態轉化過程目前尚缺乏深入認識.研究發現，90%添加到培養物中的無機二價汞離子可以被細菌的胞外多聚物吸附，且胞外多聚物中的巰基基團是主要的作用基團[62−63].Leclerc等發現，湖水附著生物膜中與汞具有強絡合作用的小分子巰基化合物(如，巰基乙酸、半胱氨酸、谷胱甘肽等)的含量比周圍水體高出3個數量級[64].前期研究發現，小分子巰基化合物能顯著增強部分汞甲基化細菌對無機汞的攝取和甲基化能力[65].因此，生物膜中高含量的小分子巰基化合物可能影響生物膜中無機汞的甲基化過程.天然水環境形成的生物膜中已觀測到了無機二價汞離子被還原的過程[66]，此外有研究發現，胞外多聚物中的還原性組分(如，胞外多糖中的半縮醛結構)可以還原Ag(Ⅰ)和Au(Ⅲ)形成納米尺寸的單質Ag(0)和Au(0)[67−68]，但是胞外多聚物如何影響汞的氧化和還原過程目前有待研究.生物膜中富集的重金屬元素多以納米顆粒物，特別是硫化金屬納米顆粒物的形態存在，例如，天然水環境中形成的硫酸鹽還原菌生物膜中檢測到大量的ZnS納米顆粒物[69].Zhang等發現，厭氧菌胞外多聚物中的芳香結構基團通過與汞離子相互作用，能顯著減緩HgS顆粒的沉淀團聚過程，使得HgS以結構更加無序的納米顆粒物的形態存在，并且這種胞外多聚物包被的HgS納米顆粒物可以被微生物利用產生甲基汞[70].

　　除了具體組分、官能基團外，胞外多聚物的空間結構也可能在汞的形態轉化和傳質過程中起作用.Wang等發現，細菌胞外多聚物的空間結構為不完全伸展鏈組成的無規則卷曲結構，其空間結構受pH影響，在低pH值下傾向于形成更為致密的結構[71−72].重金屬離子和納米顆粒物在生物膜中的傳質、擴散、遷移等過程受到靜電作用、疏水作用、空間位阻等作用控制[16,73]，胞外多聚物空間結構的改變可能會影響溶解態絡合物、納米顆粒物等形態的無機汞在生物膜中的分布、遷移、轉化及其甲基化過程.

　　1.3生物膜對甲基化微生物活性的影響

　　環境中甲基汞的生成主要由厭氧微生物驅動，通過胞內酶促反應將無機汞轉化為甲基汞，因此，厭氧微生物的活性是影響微生物汞甲基化過程的重要因素之一.生物膜作為微生物面對環境壓力所采取的一種有利于生存的群居措施，其為微生物提供了一個相對穩定的環境以應對外界環境條件的波動[74].生物膜中相對活性較高的厭氧菌的存在可能是生物膜中汞甲基化速率高于浮游態厭氧菌的原因之一[14].

　　在胞外多聚物的包裹下，生物膜內部的環境條件與外部環境存在較大差異，例如，在外部好氧條件下，生物膜內部可形成一個有利于汞甲基化的厭氧微環境，這就為厭氧菌提供了一個額外的生態位[75].Olsen等通過人為破壞生物膜的三維結構發現，生物膜內部厭氧微區遭到了破壞，汞甲基化微生物活性隨之降低，進而導致汞甲基化速率降低[32].生物膜中藻類等非甲基化微生物分泌的小分子巰基化合物，一方面可能會影響無機汞的化學形態，另一方面也能增強汞甲基化細菌的活性，促進細菌細胞吸收更多無機汞[25].此外，胞外多聚物中豐富的多糖、蛋白質等有機物也可以被細菌利用進行呼吸代謝，從而增強其活性，促進汞的甲基化[76−77].生物膜中汞甲基速率受到溫度、光照、溶解氧、營養元素等環境因素的影響[10]，當這些環境因素發生變化時，生物膜內部的微環境環境條件如何影響甲基化厭氧菌的活性有待于進一步的研究.

　　除了生物膜內部微環境會影響微生物活性外，生物膜中不同種群微生物之間的相互作用也會影響甲基化厭氧菌的活性.例如，硫酸鹽還原菌和硫氧化菌往往共存于生物膜中，后者可以通過將硫氧化生成硫酸鹽，為硫酸鹽還原菌提供電子受體，從而促進硫酸鹽還原菌的汞甲基化[27].自然環境中汞甲基化過程往往由不同種類的微生物共同驅動，例如，Yu等研究發現，河流沉積物中主要的汞甲基化微生物為硫酸鹽還原菌和鐵還原菌[78].Liu等發現，鐵還原菌和產甲烷菌共同驅動了稻田土壤中甲基汞的生成過程[79].通過不同浮游態細菌共培養實驗發現，硫酸鹽還原菌、產甲烷菌、互營桿菌等厭氧菌之間可以通過氫和乙酸轉移方式建立互營共棲關系，進而增強其汞甲基化能力，汞甲基化速率相比單菌增加了2—9倍[80].特別是在貧硫貧鐵環境中，互營共棲的厭氧微生物可能是主要的甲基汞來源.當環境條件發生改變時，生物膜中不同菌種的響應不盡相同，其中甲基化細菌的活性可能也會隨之改變，從而引起生物膜驅動的汞甲基化過程發生相應改變.

　　2生物膜汞甲基化研究的技術方法(Technicalapproachesforassessingmercurymethylationinbiofilms)

　　揭示生物膜中汞甲基化過程的作用機制依賴于準確、可靠、高效的儀器表征技術方法.針對生物膜微生物汞甲基化研究中存在的問題，可用于表征生化分子路徑、胞外多聚物與汞相互作用、微生物活性的傳統和新興的技術方法，如圖2中所示.

　　2.1生化分子路徑分析的技術手段

　　乙酰輔酶A途徑(也稱為Wood-Ljungdahl途徑)是廣泛存在于厭氧細菌和古菌中用于進行物質和能量代謝的通路之一[81].前期利用硫酸鹽還原菌進行的汞甲基化生化分子機制的研究中，普遍認為在合成乙酰輔酶A過程中產生的甲基-四氫葉酸是甲基的來源.在乙酰輔酶A途徑中甲酸脫氫酶、乙酰輔酶A合成酶、一氧化碳脫氫酶等是該途徑中的關鍵酶.通過加入相應的抑制劑，抑制關鍵酶活性，進而考察相應代謝途徑是常用的研究方法之一.例如，Ekstrom等利用氯仿抑制一氧化碳脫氫酶，阻斷乙酰輔酶A途徑，發現完全氧化型硫酸鹽還原菌的汞甲基化能力被抑制，而非完全氧化型硫酸鹽還原菌影響較小，這表明非完全氧化型硫酸鹽還原菌還可以利用其他代謝途徑進行汞甲基化反應[44].

　　抑制特定代謝通路的方法并不能準確描述具體的生化分子路徑.隨著代謝組學的發展，代謝流分析技術的出現為更加準確地研究具體代謝通路提供了可能[82].代謝流分析是利用穩定同位素(如13C、15N等)標記特定化合物，結合核磁共振、色譜-質譜聯用等方法，追蹤分析下游代謝產物中穩定同位素組成，從而系統地定量特定代謝途徑的走向、分布等情況[83].不同種類汞甲基化微生物可利用的碳源不同，因此可以通過穩定同位素標記特定碳源(如乙酸、乳酸等)，利用代謝流分析技術，揭示汞甲基化過程中甲基的來源，從而發現可能的新途徑.

　　微生物在生長過程中會產生一種可以擴散的信號分子，在微生物群體密度較低時，信號分子保持在低濃度，而隨著微生物生長，信號分子積累到臨界濃度后會誘導目標基因的轉錄表達，進而表現出不同于浮游態微生物的生活狀態和習性[84].然而，目前關于微生物的群體感應等信號調節系統是否會影響微生物汞甲基化途徑尚未見報道.N-�；呓z氨酸內酯(AHL)是革蘭氏陰性菌群體感應中廣泛存在的一種通訊信號分子.AHL信號分子的產生依賴于LuxI類AHL合成酶，而其應答依賴于LuxR類受體蛋白[85].因此，可以通過人為添加AHL信號分子，或者對AHL合成酶或受體蛋白進行抑制，刺激信號調節系統進而研究群體感應是否會影響微生物的汞甲基化.

　　2.2胞外多聚物與無機汞相互作用的表征方法

　　胞外多聚物含有的蛋白質、多糖等生物大分子具有豐富的羧基、羥基、巰基等官能團，準確的表征胞外多聚物的分子組成和官能基團及其與無機汞的相互作用是研究生物膜中無機汞化學形態的基礎.傳統的方法是利用物理化學的手段將胞外多聚體從生物膜中分離，然后利用化學比色方法測定胞外多聚物的分子組成，例如，BCA法測定蛋白質含量，苯酚-硫酸法測定多糖含量，二苯胺法測定核酸含量等.胞外多聚物中的小分子化合物，可以在消解過后利用氣相色譜、液相色譜-質譜聯用等方法檢測.官能團、芳香結構等則通過紅外光譜、紫外吸收光譜、熒光光譜等進行表征.分子量信息通過超濾離心管、尺寸排阻色譜等獲得.胞外多聚物的親疏水性則可以利用親疏水樹脂來進行分離檢測[53].這些傳統的表征方法顯著提升了對胞外多聚物與重金屬相互作用的認識，但是物理化學的提取和保存方法也在一定程度上破壞了胞外多聚物的組成和結構，無法準確預測生物膜中胞外多聚物對無機汞形態的作用.

　　新表征技術的發展為原位考察胞外多聚物組成及其與重金屬相互作用提供了條件.利用熒光染料對特定組分進行染色，通過激光掃描共聚焦顯微鏡(Confocallaserscanningmicroscope,CLSM)可以原位地觀察生物膜中胞外多聚物特定組分的相對含量和空間分布情況[86].紅外光譜(Fouriertransforminfraredspectroscopy,FTIR)成像、拉曼光譜(Ramanspectroscopy)成像、表面等離子體共振(Surfaceplasmonresonance,SPR)成像等可以用來表征官能基團的分布.將生物膜樣品固定、包埋后，納米二次離子質譜技術(Nanoscalesecondaryionmassspectrometry,NanoSIMS)、基于同步輻射的掃描透射X射線顯微鏡(ScanningtransmissionX-raymicroscopy,STXM)等先進技術也可以用來原位觀察生物膜的物質組成和結構特征[87−88].此外，耗散型石英晶體微天平(Quartzcrystalmicrobalancewithdissipationmonitoring,QCM-D)、原子力顯微鏡(Atomicforcemicroscopy,AFM)等是原位表征生物膜與不同形態無機汞相互作用的有力工具.

　　胞外多聚物的空間結構對不同形態無機汞在生物膜中的轉化、傳質等過程可能也會產生影響.光散射技術常用來表征聚合物的空間結構特征，例如，Dogsa等利用小角X射線散射技術(SmallangleXrayscattering,SAXS)研究了不同pH條件下細菌胞外多聚物的結構[89];Benigar等通過SAXS、靜態光散射(Staticlightscattering,SLS)和動態光散射(Dynamiclightscattering,DLS)考察了多糖的空間結構[90].此外，熒光相關光譜(Fluorescencecorrelationspectroscopy,FCS)結合共聚焦顯微鏡常用來考察不同形態重金屬在生物膜中的擴散傳質過程.FCS通過測定溶液中微區內被熒光探針標記了的各形態重金屬因布朗運動而產生的熒光漲落現象，分析熒光漲落的相關函數而獲得自擴散相關系數等參數信息[91].

　　2.3微生物活性的分析方法微生物活性表示的是微生物體內生理代謝活動過程的狀態水平.通常認為生長速率快的微生物具有較高的代謝活性，在微生物汞甲基化研究中，普遍通過測定光密度(OD)、細胞數、總蛋白量等指標來描述生長速率快慢，進而間接表示甲基化微生物的活性.這些指標技術要求低，易于操作，但是也存在難以區分活性和非活性細胞的問題，不能準確反映活性微生物的代謝活動水平.酶活性也是常用的評估微生物活性的指標之一，常用的指示微生物代謝活性的酶包括脲酶、過氧化氫酶、脫氫酶、磷酸酶等[92]，但是微生物酶活性也容易受到提取和測試環境條件的影響.蛋白質是生理代謝活動的主要承擔者，核糖體RNA(rRNA)與蛋白質的合成密切相關，因此利用RNA來反映微生物的活性已成為一種重要的研究手段[93].諸多研究表明，rRNA的含量與微生物的生長速率、代謝活性具有高度的相關性，而且只有活性微生物體內才存在高含量的rRNA[94].通過轉錄組學，測定rRNA的含量，除了能獲得代謝活性信息，還能獲得活性微生物群落結構信息，這對于研究生物膜中微生物的活性具有顯著優勢.

　　環境條件顯著影響微生物的活性，準確定量地描述生物膜內部微環境條件的變化，是考察生物膜中汞甲基化微生物活性的重要內容.目前，以微電極系統為代表的微傳感器已經成為原位、實時、定量表征生物膜內部微環境的有力工具之一[95−97].微電極系統可以轉換為溫度微電極、pH微電極、氧化還原電位微電極、氧氣微電極等，通過對生物膜進行穿刺，進而獲得相應內部微環境的狀況.微電極的尖端直徑一般在微米級范圍，確保穿刺不會破壞生物膜內部微環境，同時微電極系統反應靈敏且檢測限低，可以檢測生物膜內部微環境的瞬間動態變化.

　　隨著高通量核酸測序技術的發展，以宏基因組學為代表的宏組學已經成為研究微生物種群間相互作用機制的熱門技術.宏基因組學是以環境樣本中微生物群體基因組為研究對象，通過測序分析、功能基因篩選等手段，研究微生物種群結構、功能活性、相互作用關系等[98].隨著決定汞甲基化能力的hgcAB基因的發現，利用宏基因組學手段研究不同汞甲基化微生物之間群落組成和相互作用成為可能.例如，Liu等結合宏基因組學、PacBio測序和實時定量PCR方法測定了稻田土壤中hgcAB基因的分布豐度及其系統發育關系，發現鐵還原菌和產甲烷菌共同驅動了稻田土壤中的甲基汞生成過程[79].另外，熒光原位雜交技術(Fluorescenceinsituhybridization,FISH)由于兼備分子生物學準確性和顯微鏡可視性的特點，在微生物群落結構、種群相互作用、種群中特定微生物代謝活性等研究中也得到較為廣泛的應用[99].FISH技術是以熒光染料標記的特異寡核苷酸片段為探針，與微生物的DNA或RNA分子進行原位雜交，在特定激發波長下，通過熒光檢測系統對目標微生物進行鑒別、跟蹤和觀察.因此，可利用FISH技術配合激光掃描共聚焦顯微鏡原位觀察不同種群汞甲基化微生物在生物膜中的空間分布和相互作用情況.——論文作者：張展華　方清萱　趙振宇　張彤**

　　相關期刊推薦：《環境化學》EnvironmentalChemistry(月刊)1982年創刊，是中國科學院生態環境研究中心主辦的學術性刊物。刊登范圍：涉及環境分析化學、環境污染化學、污染控制化學、污染生態化學、環境理論化學、區域環境化學和化學污染與健康等研究領域。主要涉及行業有：科研、教育、環境保護、環境監測、污水處理、垃圾處理、市政、印染、化工、造紙、煤炭、食品、醫療、農業等多種領域。

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