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天然的造毒师——将汞转化为甲基汞的微生物

来源:北极星节能环保网 日期: 2017年08月04日

 


汞是一种毒性物质,主要通过煤炭燃烧、工业使用以及通过火山爆发等自然过程在全球进行扩散。这种化学元素在水生食物链中大量积累,特别是大型鱼类体内。不同形式的汞在沉积物和水中广泛地发现到。

甲基汞(methyl  mercury)是由汞产生的,被公认为强大的神经毒素。它是一种具有神经毒性的环境污染物,主要侵犯中枢神经系统,可造成语言和记忆能力障碍等。其损害的主要部位是大脑的枕叶和小脑,其神经毒性可能扰乱谷氨酸的重摄取和致使神经细胞基因表达异常。与从矿山和工厂排放的污染物无机汞不同,甲基汞能通过血脑屏障进入中枢神经系统并穿过胎盘达到发育中的胎儿体内。

约40年前,科学家们就已经知道,当汞被释放到环境中时,某些细菌可将它转变为剧毒的甲基汞。然而细菌确切是如何做到这一点的,一直困扰着科学家们。他们面临的挑战是要找到能够转移甲基基团的蛋白,并鉴别出负责甲基汞生成过程的基因。

2013年3月,来自美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,  ORNL)的研究人员解答了这个谜题,提供了微生物汞甲基化(microbial mercury  methylation)这一过程的遗传基础,将产生深远的影响。

通过结合化学原理和基因组序列,研究人员鉴别出了两个基因。他们将之命名为hgcA和hgcB。研究人员通过实验将两个菌株中的这些基因一次除去,从而获得了丧失甲基汞生成能力的突变体,然后再插入这些基因又能够重新回复甲基汞生成能力,由此验证了这一研究发现。

研究人员发现在所有已知的汞甲基化细菌中均存在这两个基因簇,他们预测有超过50种其他的微生物具有相似的一对基因,因此能够发生汞甲基化产生。

2015年10月,ORNL科学家Mircea  Podar和同事们在来自世界各地、各种动物、从甲壳虫到人类的样本中更广泛地寻找了这些基因。他们的研究表明,甲基汞由生活在比我们想象的更广泛的生态系统中的更多细菌种类产生。

令人吃惊的一项发现是一些甲基化基因的最高拷贝数来自北极阿拉斯加的融化冻土。这是一个值得人们关注的发现,因为随着气候变化,每年的雪融化将继续让汞污染物从融化的雪走进它可以转变成甲基汞的苔原。

另一个意外的发现是废水处理厂和生物反应器似乎有产生甲基汞基因的细菌。未来,在作为一个整体的细菌群落中,对基因激活的研究可以有助揭示在这些设施中是否有大量的甲基汞产生。  这个团队也在几个水样中发现甲基汞基因似乎属于之前还没有在体外成功培养或测序的细菌之中,这提示着暗示这种甲基汞的产生可能极其常见的。

重要的是,这些基因不出现在人类肠道中------或者显然地,更一般地不出现在哺乳动物的肠道菌群中。鸟类也缺乏它们。但它们存在于这个团队研究的无脊椎动物微生物组中。

另一个神秘的缺席是广阔的海洋。海洋鱼类是地球上大多数甲基汞的最大来源,因此从人类风险角度来看,人们有必要了解甲基汞是在哪里产生的。然而,即使海洋鱼类最终摄入甲基汞,然后将它传递给人类,研究人员发现这个生态系统中的细菌似乎并不具有这些基因。这很可能只是因为这些基因不存在于采样部分的海洋,在不同深度的细菌应当有它们,或者海洋中的甲基汞可能来自一种不同的非细菌性的来源。研究人员已经进一步收集海洋样品准备再进行研究一下。

通过揭示汞甲基化在哪里发生和在哪里不会发生,研究人员希望能够破解这个持久的迷题------为什么细菌首先进化出产生甲基汞的能力。

在最新的一项研究中,来自美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,  ORNL)的研究人员开发出的分子探针可让环境科学家们能够更加高效地检测将环境中的汞转换毒性更强的甲基汞所需的基因。相关研究结果于2016年7月15日在线发表在Applied  and Environmental Microbiology期刊上,论文标题为“Development and Validation of  Broad-Range Qualitative and Clade-Specific Quantitative Molecular Probes for  Assessing Mercury Methylation in the Environment”。

论文第一作者、博士后和ORNL科学家Geoff  Christensen说,“如今,我们有一种快速的简单易用的能够在任何环境中应用的工具来测试能够让汞发生甲基化的微生物,并确定这些微生物存在的数量。”

在这项新的研究中,研究人员在31种已知能够产生甲基汞的微生物菌株中测试了这些探针,确诊率为94%。这种验证程序是至关重要的,这是因为它有助于在下一步中,将这些探针用于野外以便协助确定任何给定环境中可能产生的甲基汞含量。

论文共同作者、ORNL生物科学处科学家Dwayne  Elias说,一种潜在的应用就是测试污水处理厂的出水、过滤物和沉积物。这种测试可能能够廉价地和快速地开展,并且提供至关重要的信息给环境管理者、公用事业公司和政府。

Elias说,“我们在一家废水处理厂发现了这些基因,因此它们很可能也存在于其他地方。”

开发这些分子探针和它们的验证方法代表着人们朝更好地理解微生物汞甲基化过程和设计出降低这种健康风险的方法又迈出一步。

参考资料:

【1】New tool probes for genes linked to toxic methylmercury

【2】The Genetic Basis for Bacterial Mercury Methylation.Science, 15 Mar 2013, doi:10.1126/science.1230667

【3】Global prevalence and distribution of genes and microorganisms involved  in mercury methylation.Science Advances, 09 Oct 2015, doi:10.1126/sciadv.1500675

【4】Development and Validation of Broad-Range Qualitative and Clade-Specific  Quantitative Molecular Probes for Assessing Mercury Methylation in the  Environment


(发布:)