【技术交流】中山大学江峰团队ES&T：城市下水道竟成汞甲基化微生物“孵化器”——揭示公共健康风险的新源头

来源：市场资讯

（来源：生态修复网）

第一作者：夏俊涛博士

通讯作者：江峰 教授

通讯单位：中山大学环境科学与工程学院

图片摘要

成果简介

近日，中山大学环境科学与工程学院江峰团队在环境领域权威期刊《Environmental Science & Technology》发表题为“Urban sewer system is an incubator of sewage-derived mercury-methylating microorganisms: a new public health challenge”的研究论文，系统揭示了城市下水道系统在全球甲基汞污染中的关键角色。该研究是在团队此前发表于《Nature Communications》的基础上深化推进，前期工作已明确指出，未经处理的污水中富集的汞甲基化微生物是导致全球城市河流甲基汞水平激增的主因。本研究进一步发现，这些高风险微生物并非来自粪便或饮用水等外源输入，而是在城市下水道系统中由生物膜持续“孵化”并释放至污水中，形成高浓度扩散源。结合全球宏基因组分析、实地追踪与反应器验证，研究揭示了其生态来源、驱动机制及代谢适应特征，厘清了城市MeHg污染的发生基础。这一发现将甲基汞污染防控的关注重心前移至城市基础设施内部生态过程，突显出下水道系统在污染物源头控制与健康风险防范中的战略地位，为城市水环境治理提供了新的理论支点和实践路径。

引言

甲基汞（MeHg）是一种剧毒的神经毒素，因其高度生物放大性而广泛富集于水生食物链中，是全球重点管控的水体污染物之一。人群主要通过食用鱼类等水产品暴露于MeHg，对胎儿发育、儿童智力和成年人的神经系统构成长期不可逆的健康风险。近年来，随着城市化快速发展，全球多地城市河流中MeHg浓度呈现激增趋势，相关报道已遍布欧洲、北美、南美、亚洲与非洲多个城市流域，显著超过自然水体背景水平，成为城市人群暴露的新风险源。然而，这一现象背后的驱动机制长期未明，缺乏系统性解释。

我们此前发表于《Nature Communications》前期研究首次指出，全球城市污水中普遍富集一类携带关键功能基因hgcA的微生物群体，它们能够将无机汞转化为高毒性的甲基汞，并在污水排放进入河流时，成为城市河流MeHg激增的主要推手。这些微生物，绝非“少数异类”：在污水中，它们的数量比自然河流中高出3-4个数量级，尤其在合流制溢流（CSO）或生活污水直排等情形下，大量释放至受纳水体，使城市河流下游区域成为 MeHg 生成的“热点”，对水体生态系统和人群健康构成实质性威胁。但问题也随之而来——这些hgcA微生物是从哪里来的？为何它们在污水中如此活跃？ 寻找其源头与驱动机制，已成为全球城市河流MeHg污染治理亟待解答的关键科学问题。

本研究综合利用全球公共污水宏基因组数据、典型城市的多点实地采样以及实验室尺度的模拟反应器试验，旨在追踪这类微生物的主要来源，识别其关键驱动因子，并解析其在污水系统中的扩增路径和生态适应特征，从而为城市汞甲基化微生物的生态源头识别与风险调控提供理论基础和技术支撑。

图文导读

全球430个污水样本显示，hgcA微生物在污水中普遍存在，平均占总群落1.1%，呈现出高度一致的全球分布特征。为识别其可能来源，我们系统分析了上千个来自人类和家畜（人、猪、牛、羊、鸡）的公共粪便宏基因组数据和31万余个粪便MAGs。结果显示，粪便样本中hgcA基因检出率极低，仅0.5%的样本中检测到hgcA，且丰度远低于污水，饮用水与城市地下水中亦呈现同样趋势（图1）。这一系列证据表明，粪便、饮用水与地下水等传统外源输入，无法解释污水中hgcA微生物的高度富集，其真正来源亟需进一步追踪。

图1：污水和可能的外部环境输入中 hgcA 基因丰度的分布，包括人类和动物粪便，以及饮用水和城市地下水。

为明确城市污水中hgcA微生物的来源，我们在广州典型下水道系统开展多点采样，并结合国内外宏基因组数据进行比对分析，系统评估了生物膜的贡献（图2）。结果显示，污水进入管网后hgcA丰度显著升高，主干管中较入管前提升达58倍，且生物膜中平均丰度为对应污水的4.7倍，提示生物膜可能是主要释放源（图3）。进一步比较来自中国多个城市和西班牙Girona的样本发现，hgcA在生物膜中的平均丰度为污水的数十倍，且在多个地点均呈一致趋势，支持生物膜是hgcA微生物的高丰度储库。此外，所有主要hgcA类群从生物膜到污水均呈现递减趋势，且hgcA序列高度一致（图4）。综上，这些结果都说明生物膜是城市下水系统中hgcA微生物的主要生态源头与持续释放载体，支撑其在污水中的高丰度分布。

图2：中新、朱村和番禺三个城市污水管网的采样位置分布图。

图3：中新、朱村和番禺三个城市污水管网中，hgcA基因在污水中的沿程变化及其在生物膜中的丰度分布

图4： 五个污水管网中生物膜和污水中hgcA的丰度和相似性

为验证生物膜在hgcA微生物扩增中的作用，我们在模拟下水道反应器中开展动态监测，发现随着生物膜的成熟，hgcA微生物丰度从初始的8.4×10³ copies/ng增长至第102天的8.9×10⁵ copies/ng，提升逾百倍。宏基因组分析进一步显示，生物膜成熟过程中，Desulfobacterota (Deltaproteobacteria)、Firmicutes、Halobacterota等典型甲基化类群逐步富集，种群结构发生偏移。与之同步，MeHg生成速率从0.55%/d上升至13.6%/d，呈现显著增强趋势（图5）。上述结果共同指向一个关键机制：城市下水道中的生物膜充当了汞甲基化微生物的“孵化器”，构成了潜在的生态风险源。

图5：管网生物膜中 hgcA丰度和 MeHg 生成速率随培养时间的变化

为了揭示城市污水系统中汞甲基化微生物的多样性基础与生态适应机制，我们基于全球污水与生物膜宏基因组数据共恢复11,717个MAGs，其中188个携带hgcA基因，分布于15个门、64个属，超过八成为潜在新种，反映出这一人造生态系统中汞甲基化群落的高度新颖性与演化独特性。其中，以Desulfobacterota为代表的核心类群在群落丰度和hgcA转录活性中占据主导地位，是城市汞甲基化潜力的关键贡献者。代谢注释结果显示，该类群广泛具备硫酸盐还原、乙酸利用及氧化还原缓冲等关键功能，能够适应污水中富有机碳、低氧、高硫的生态条件，而发酵与产氢路径则相对缺失，反映出其对特定底物和电子受体的偏好。这一代谢特征揭示了城市污水环境对汞甲基化微生物的强选择压力，并为调控其繁殖扩增提供了明确且可干预的代谢靶点。

小结

本研究系统揭示了城市下水道系统在全球甲基汞污染中的关键生态角色。基于全球污水与生物膜的宏基因组数据，结合实地采样与模拟反应器验证，研究首次明确：城市污水中高丰度的hgcA微生物并非源于粪便等传统外源输入，而是在下水道管网内的生物膜中增殖并持续释放，是驱动城市河流 MeHg 水平激增的关键生态源。这些微生物具备明显的代谢适应特征，能够在污水系统中形成稳定的扩增路径，其高新颖性和多样性也提示这一生态位具有独特的选择压力。研究结果不仅阐明了城市流域 MeHg 污染的发生基础，也将污染防控的关注重心前移至城市基础设施内部，为源头治理和公共健康风险防范提供了新的理论支点与实践路径。

作者简介

江峰：中山大学二级教授、逸仙杰出学者，国家杰出青年基金获得者，入选广东省重大人才工程，水污染低碳治理技术广东省工程研究中心主任，承担Water Res.、Inter. Biodeter. & Biodeg期刊编辑工作。主要从事水污染控制原理与技术研究，主持国家杰出科学基金项目、国家自然科学基金重点项目（联合基金）、国家重点研发计划课题等。研究成果已实现高价值转化，应用于市政排水管理、污废水处理、矿山污染治理等领域，牵头获得广东省技术发明奖一等奖、华夏建设科学技术奖一等奖、“首创水星奖”金奖等荣誉。

夏俊涛：拟于中山大学环境科学与工程学院开展博士后研究，师从江峰教授，研究方向为城市水环境修复机制与控制技术。博士期间，以第一作者在Nat. Commun.,（编辑精选亮点论文）、Environ. Sci. Technol., Water Res.等期刊发表论文 6 篇。曾获奥加诺（水质与水环境）奖学金（二等），入选中国科协“青年人才托举工程”博士生专项计划。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c13397

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