地化所在稻田生态系统水稻富集甲基汞机制中取得新进展

汞(Hg)是环境中普遍存在的一种重金属元素，可对人类和动物的健康造成不利影响。稻田生态系统长期处于淹水状态，为土壤汞甲基化创造了一个有利的环境。因此，稻田生态系统是甲基汞产生的热点区域。许多研究证实人体摄入甲基汞污染的大米会产生巨大的健康风险。了解甲基汞在水稻植株中富集机制对于减轻稻米中的甲基汞和减少全球范围内甲基汞消费相关的风险至关重要。然而，关于水稻富集甲基汞的机制尚不完全清楚。在水稻植株中，氨基酸可通过根的共质体和质外体两种途径运输，随后经过木质部转移到地上部。汞、砷和镉等重金属在植物中的转运途径与氨基酸相似，因此，氨基酸的转运能够促进重金属在植物中的累积。然而，氨基酸对甲基汞在水稻植株体内积累和转运的影响还有待进一步研究。半胱氨酸是20种基本氨基酸中唯一含有巯基基团（-SH）的氨基酸。研究表明，半胱氨酸的存在促进了水稻根系对甲基汞的吸收，并随后转运到水稻地上部，其主要原因是汞与半胱氨酸中的巯基存在较强的结合力。

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室冯新斌研究员领导的团队基于分析不同汞污染区域的水稻植株及其对应表层土壤总汞和甲基汞含量，结合超高效液相色谱和同步辐射X射线近边吸收谱技术分析了水稻植株中17种基本氨基酸和硫形态。该研究旨在探究甲基汞与氨基酸之间的生物地球化学关系，以阐明氨基酸（特别是半胱氨酸）在水稻甲基汞富集和转运的过程中扮演的角色。研究结果表明：

图1 水稻甲基汞富集机制示意图

（1）该研究通过分析汞矿区不同区域水稻组织中甲基汞和无机汞的分布特征发现，无机汞主要分布在根系中，而甲基汞主要分布在籽粒中。水稻根系中的无机汞含量显著高于其他组织，这主要是因为根系能阻碍无机汞的转运。

（2）水稻籽粒中氨基酸含量显著高于其他组织，约占总氨基酸的40%。水稻中，籽粒与其他组织的氨基酸浓度呈显著正相关关系，表明籽粒中的氨基酸很可能是在水稻成熟期从水稻其他组织转运而来。基于同步辐射X射线近边吸收谱技术分析了水稻植株中硫的形态，发现籽粒中的硫形态与半胱氨酸相似，且籽粒中半胱氨酸形态占总硫的比例显著高于根和茎。多维度的分析结果表明，水稻籽粒中半胱氨酸占主导地位。

（3）在籽粒中，各采样点的甲基汞和半胱氨酸之间存在显著的线性相关(r = 0.72 ，P < 0.05)（图2）。同时，半胱氨酸和甲基汞的转运系数之间存在显著的线性相关关系。该结果说明水稻植株中甲基汞与半胱氨酸具有密切的地球化学关联性，可能以甲基汞-半胱氨酸（MeHg-Cysteine）复合物的形式存在。

图2水稻籽粒中甲基汞与半胱氨酸的关联性。

（4）通过计算甲基汞和半胱氨酸的摩尔比后发现，半胱氨酸能够作为载体促进甲基汞在水稻植株中的运输。半胱氨酸的存在促进了MeHg-Cysteine复合物的形成，甲基汞在水稻植株中累积差异可能与甲基汞与半胱氨酸的摩尔比和MeHg-Cysteine复合物运输的氨基酸转运体的不同有关，并且存在组织特异性。

上述研究成果发表在环境科学与地球科学研究领域期刊Environmental Science & Technology（《环境科学与技术》）上。该研究得到了国家自然科学基金（42207304 ，42207487 ，42222305）、中国博士后科学基金（2023M733474）、贵州省千人创新创业计划（GZQ202208090）等项目的资助。

论文信息：Yi Man ，Bo Wang ，Jianxu Wang ，Kai Cai ，Jörg Rinklebe ，Leiming Zhang ，Xinbin Feng；New Insights into MeHg Accumulation in Rice (Oryza sativa L.)：Evidence from Cysteine. Environmental Science & Technology. https://doi.org/10.1021/acs.est.3c08385

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c08385

（冯新斌 课题组/供稿）