中山大学Nat. Commun.：破解全球城市河流高水平甲基汞污染之谜——污水直排与管网溢流释放的微生物是主要肇因

成果简介

近日，中山大学环境科学与工程学院江峰与合作者在著名综合性学术期刊 Nature communications 上发表了 “ Sewage-derived hgcAB ⁺ microorganisms elevate methylmercury production in urban rivers worldwide ” 的研究论文。城市河流中甲基汞污染水平高企的成因长期未解，成为全球环境与公共健康的重大挑战。本研究首次揭示，未经处理的污水中丰富的汞甲基化微生物释放进入河流是导致全球城市河流 MeHg 升高的主要原因。这些微生物通过污水直接排放或合流制管网溢流 (CSOs) 进入河流，显著提升了河流中的汞甲基化潜力，从而导致 MeHg 浓度急剧增加。这一发现颠覆了传统认为污水化学物质促进本土微生物生长的观点。研究进一步强调，提升污水处理设施的覆盖和效率，可以显著减少汞甲基化微生物的排放，从而有效降低城市河流中的 MeHg 水平。本研究为全球 MeHg 污染防控提供了新的科学依据和策略，推动了环境治理和公共健康保护的进步 。

图文导读

城市河流高水平甲基汞污染原因成谜

汞污染是全球性问题，对生态环境和人类健康构成严重威胁。为应对这一挑战，国际社会于 2013 年通过《水俣公约》，旨在控制汞污染的健康风险。中国作为首批缔约国之一，积极参与，体现了对公众健康的高度重视。汞污染的主要危害在于其可通过微生物作用转化为神经毒性极强的甲基汞 (MeHg) ，并在食物链中富集，对食品安全和人类健康带来严重威胁。 20 世纪 50 年代发生的 “ 水俣病 ” 事件就是甲基汞污染的惨痛教训。

令人担忧的是，全球城市河流中 MeHg 浓度普遍呈现显著上升趋势，尤其在欧洲、北美、南美、亚洲和非洲等人口密集地区，这一问题已成全球关注焦点。例如，人口密集区域的阿杜尔河中， MeHg 浓度是上游原始地区的五倍，峰值达 5 ng/L 。随着城市化进程加快，预计超 70% 的人口将生活在城市，这使城市河流中的甲基汞污染问题更为迫切，影响着全球数十亿人的健康安全。

污水排放可能是导致城市河流中 MeHg 水平升高的主要原因，但其具体机制不明。污水本身通常含有一定浓度的 MeHg ，直接排放会使河流中甲基汞含量增加。然而，研究发现，城市下游的甲基汞 / 总汞比率 (%MeHg) 显著高于污水和上游河流，这表明污水可能主要通过增强河流中的原位汞甲基化过程来提升 MeHg 水平。至于污水为何会增强河流的汞甲基化潜力，尚需进一步探明。揭开这一谜团对于制定有效的防控策略、保障人类健康至关重要。

污水污染水平与河流汞甲基化潜力呈全球一致强相关

图 1 全球范围内公开可用的宏基因组数据的地理分布

图 2 全球城市河流中污水污染水平与汞甲基化微生物丰度的相关性

城市河流的汞甲基化增强源于污水中汞甲基化微生物的释放

全球范围内，污水污染与汞甲基化微生物丰度之间为何存在一致的强关联？此前研究多认为，污水中的化学物质可能刺激本土汞甲基化微生物的生长，例如污水处理过程中使用的三价铁排放到河流中后，可能会富集沉积物中的 Geobacteraceae 微生物。然而，这一解释不足以涵盖全球普遍的相关现象，尤其是在如印度等缺乏污水处理设施的国家中依然成立。

我们的研究揭示了一项全新机制：未经处理的污水通过直排或合流制溢流（ CSOs ）将大量汞甲基化微生物直接释放到河流中，成为提升城市河流汞甲基化潜力的关键因素。基于全球 101 个国家的污水样本基因组数据，我们意外发现，未经处理的污水中普遍存在高丰度且活跃的汞甲基化微生物库，其浓度比城市河流高出 3-4 个数量级，即使少量排入河流也会显著改变微生物分布（图 3 ）。进一步分析显示，城市河流中的 hgcA 基因序列与未经处理污水的共有率达 82% ，而自然生态环境中的共有率仅为 3% （图 4 ）。这些结果表明，城市河流中的汞甲基化微生物主要源自未经处理的污水，而非化学物质刺激本土微生物生长。这一发现颠覆了传统认知，为全球甲基汞污染防控开辟了新方向。

图 3 a) hgcA 基因在不同环境中的检测率 b) 未经处理污水中的 hgcA 基因丰度 c) 全球 101 个国家或地区污水中 hgcA 微生物的组成

图 4 未经处理污水中 hgcA 序列与城市河流中 hgcA 序列的高度同源性

全国采样实证污水汞甲基化微生物对河流的影响

在中国不同地区采集了 12 份污水样本，我们验证了污水的汞甲基化能力，证实了 hgcA 基因丰度与汞甲基化速率之间的密切关系 ( 图 5) 。实验显示，污水中的 MeHg 生成率达到 10.5±4.1% ，是原始湖泊沉积物或沼泽地的 3-8 倍，表明未经处理的污水具有强大的汞甲基化能力。此外， SRB 类群的 hgcA 基因丰度与 MeHg 生成率呈显著正相关，进一步证实了这些微生物在污水中 MeHg 生成过程中的重要作用。

更为重要的是，污水排放对河流中 MeHg 的产生有显著促进作用。我们从长江和珠江采集了三个河水样本，并混入相应的当地污水样本，模拟污水直排或泄漏对河流 MeHg 生成的影响。结果显示，未加入污水的河水样本在培养中未检测到 MeHg 生成，而随污水比例增加， MeHg 生成率显著提升。然而，当加入 10% 经灭菌处理的污水时，河水中未检测到 MeHg 生成，进一步确认了污水源汞甲基化微生物对河流中 MeHg 生成的关键作用。

图 5 a) 全国采样点位分布 b) hgcA 基因与汞甲基化速率的相关性 c) 模拟污水排放对河流甲基汞速率的影响

污水基础设施成为阻截污水汞甲基化微生物的屏障

未经处理的污水富含汞甲基化微生物（尤其是硫酸盐还原菌），极大地促进了河流中甲基汞的生成，而污水处理厂则可能有效阻止这些微生物进入河流。为验证这一点，我们分析了来自 6 个污水处理厂的宏基因组数据，结果显示 hgcA 基因丰度的平均去除效率达 93.1±4.3% ，表明污水处理厂在去除汞甲基化微生物方面有很强的效果 ( 图 6) 。这一结果或许解释了污水设施完善地区城市河流中较低的 hgcA 水平。而在污水设施不足或存在合流制溢流（ CSOs ）的河流（如中国沙河、乌拉圭普拉塔河、印度亚穆纳河和乌干达坎帕拉河）， hgcA 基因丰度比污染较轻的河流高出两个数量级。

图 6 a) 全球 6 个污水处理厂对 hgcA 基因的去除率 b) 不同城市河流的 hgcA 基因丰度分布图。红色三角表示河流遭受 CSOs 影响 ; 红色圆圈表示河流遭受污水直排

污水设施建设管理水平与甲基汞污染的关系：全球趋势与中国经验

图 7 全球 27 个城市水域的甲基汞水平以及对应国家的污水处理率呈负相关。红点表示河流遭受污水直排 /CSOs 污染

图 8 长江流域鱼体内总汞含量与污水处理率的相关性