天然的造毒師---將汞轉化為甲基汞的微生物

來源：作者：人氣：-發表時間：2016-07-25 10:25:00【大中小】

汞是一種毒性物質，主要通過煤炭燃燒、工業使用以及通過火山爆發等自然過程在全球進行擴散。這種化學元素在水生食物鏈中大量積累，特別是大型魚類體內。不同形式的汞在沉積物和水中廣泛地發現到。

甲基汞（methyl mercury）是由汞產生的，被公認為強大的神經毒素。它是一種具有神經毒性的環境污染物，主要侵犯中樞神經系統，可造成語言和記憶能力障礙等。其損害的主要部位是大腦的枕葉和小腦，其神經毒性可能擾亂谷氨酸的重攝取和致使神經細胞基因表達異常。與從礦山和工廠排放的污染物無機汞不同，甲基汞能通過血腦屏障進入中樞神經系統并穿過胎盤達到發育中的胎兒體內。

甲基汞污染環境

約40年前，科學家們就已經知道，當汞被釋放到環境中時，某些細菌可將它轉變為劇毒的甲基汞。然而細菌確切是如何做到這一點的，一直困擾著科學家們。他們面臨的挑戰是要找到能夠轉移甲基基團的蛋白，并鑒別出負責甲基汞生成過程的基因。

2013年3月，來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）的研究人員解答了這個謎題，提供了微生物汞甲基化（microbial mercury methylation）這一過程的遺傳基礎，將產生深遠的影響。

通過結合化學原理和基因組序列，研究人員鑒別出了兩個基因。他們將之命名為hgcA和hgcB。研究人員通過實驗將兩個菌株中的這些基因一次除去，從而獲得了喪失甲基汞生成能力的突變體，然后再插入這些基因又能夠重新回復甲基汞生成能力，由此驗證了這一研究發現。

研究人員發現在所有已知的汞甲基化細菌中均存在這兩個基因簇，他們預測有超過50種其他的微生物具有相似的一對基因，因此能夠發生汞甲基化產生。

2015年10月，ORNL科學家Mircea Podar和同事們在來自世界各地、各種動物、從甲殼蟲到人類的樣本中更廣泛地尋找了這些基因。他們的研究表明，甲基汞由生活在比我們想象的更廣泛的生態系統中的更多細菌種類產生。

令人吃驚的一項發現是一些甲基化基因的最高拷貝數來自北極阿拉斯加的融化凍土。這是一個值得人們關注的發現，因為隨著氣候變化，每年的雪融化將繼續讓汞污染物從融化的雪走進它可以轉變成甲基汞的苔原。

另一個意外的發現是廢水處理廠和生物反應器似乎有產生甲基汞基因的細菌。未來，在作為一個整體的細菌群落中，對基因激活的研究可以有助揭示在這些設施中是否有大量的甲基汞產生。這個團隊也在幾個水樣中發現甲基汞基因似乎屬于之前還沒有在體外成功培養或測序的細菌之中，這提示著暗示這種甲基汞的產生可能極其常見的。

重要的是，這些基因不出現在人類腸道中------或者顯然地，更一般地不出現在哺乳動物的腸道菌群中。鳥類也缺乏它們。但它們存在于這個團隊研究的無脊椎動物微生物組中。

另一個神秘的缺席是廣闊的海洋。海洋魚類是地球上大多數甲基汞的最大來源，因此從人類風險角度來看，人們有必要了解甲基汞是在哪里產生的。然而，即使海洋魚類最終攝入甲基汞，然后將它傳遞給人類，研究人員發現這個生態系統中的細菌似乎并不具有這些基因。這很可能只是因為這些基因不存在于采樣部分的海洋，在不同深度的細菌應當有它們，或者海洋中的甲基汞可能來自一種不同的非細菌性的來源。研究人員已經進一步收集海洋樣品準備再進行研究一下。

通過揭示汞甲基化在哪里發生和在哪里不會發生，研究人員希望能夠破解這個持久的迷題------為什么細菌首先進化出產生甲基汞的能力。

在最新的一項研究中，辣子美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）的研究人員開發出的分子探針可讓環境科學家們能夠更加高效地檢測將環境中的汞轉換毒性更強的甲基汞所需的基因。相關研究結果于2016年7月15日在線發表在Applied and Environmental Microbiology期刊上，論文標題為“Development and Validation of Broad-Range Qualitative and Clade-Specific Quantitative Molecular Probes for Assessing Mercury Methylation in the Environment”。

論文第一作者、博士后和ORNL科學家Geoff Christensen說，“如今，我們有一種快速的簡單易用的能夠在任何環境中應用的工具來測試能夠讓汞發生甲基化的微生物，并確定這些微生物存在的數量。”

在這項新的研究中，研究人員在31種已知能夠產生甲基汞的微生物菌株中測試了這些探針，確診率為94%。這種驗證程序是至關重要的，這是因為它有助于在下一步中，將這些探針用于野外以便協助確定任何給定環境中可能產生的甲基汞含量。

論文共同作者、ORNL生物科學處科學家Dwayne Elias說，一種潛在的應用就是測試污水處理廠的出水、過濾物和沉積物。這種測試可能能夠廉價地和快速地開展，并且提供至關重要的信息給環境管理者、公用事業公司和政府。

Elias說，“我們在一家廢水處理廠發現了這些基因，因此它們很可能也存在于其他地方。”

開發這些分子探針和它們的驗證方法代表著人們朝更好地理解微生物汞甲基化過程和設計出降低這種健康風險的方法又邁出一步。

參考資料：

【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
Applied and Environmental Microbiology, published online:15 July 2016, doi: 10.1128/AEM.01271-16