Diverse microbial communities associated with mercury dynamics revealed by hgcA genes in intertidal sediment of the Han River estuary, Yellow Sea

Abstract

The Ganghwa intertidal saltmarsh (GIS) in the Yellow Sea is a biogeochemical hotspot for organic carbon (Corg) cycling. Because mercury (Hg) methylation and methylmercury (MeHg) demethylation are closely related to microbially mediated Corg oxidation, identifying Corg oxidation pathways and associated microbial consortia is important to understanding Hg cycles in coastal environments. We investigated rates of anaerobic Corg mineralization by sulfate reduction, Hg(II) methylation, and MeHg demethylation, as well as hgcA gene-carrying microbial communities in vegetated sediments of Suaeda japonica (SJ) and Spartina anglica (SA), and an unvegetated mud flat (UMF) of the GIS. Hg and MeHg concentrations, and rates of sulfate reduction, Hg(II) methylation, and MeHg demethylation were higher in vegetated sediments than in the UMF, indicating that vegetation, particularly SA, greatly stimulated Hg cycling and related microbial activity. Hg(II) bioavailability increased in vegetated sediments, where oxygen in the rhizosphere reduces dissolved sulfide. Hg(II)-methylating microorganisms were dominated by Deltaproteobacteria, Chloroflexi, and Euryarchaeota, comprising 37.9%, 35.8%, and 6.5% of total hgcA gene sequences, respectively. Our results demonstrate that diverse microorganisms other than sulfate-reducing bacteria, the most well-known Hg(II) methylators in marine environments, are potentially important contributors to Hg(II) methylation in coastal sediments.| 강화도 갯벌은 생지화학적 과정에 의한 유기 탄소의 순환이 매우 활발하게 일어나는 장소이다. 수은의 메틸화 및 메틸수은의 탈 메틸화는 미생물이 주도하는 유기 탄소 산화 과정과 밀접하게 관련되어 있으므로, 유기 탄소 산화 경로와 이에 관여하는 미생물 군집을 식별하는 것은 해양 환경에서 수은의 순환을 이해하는 데에 매우 중요한 것으로 고려된다. 따라서, 본 연구는 토착종인 칠면초 (Suaeda japonica)가 분포하는 지역 (SJ 지역), 외래 침입종인 갯끈풀 (Spartina andglica)이 서식하는 지역 (SA 지역)과 비식생지역(unvegetated mud flat; UMF)으로 구성된 강화도 갯벌에서 수은 및 메틸수은의 농도, 황산염 환원율, 수은의 메틸화율 및 메틸수은의 탈 메틸화율 상수 및 다양한 지화학 분석을 hgcA 기능성 유전자와 함께 조사하였다. 수은과 메틸수은의 농도, 황산염 환원율, 그리고 수은의 메틸화율 및 탈메틸화율 상수는 식생이 있는 지역, 그 중에서도 특히 SA 지역에서 UMF 보다 더 높게 나타났다. 이는 식생, 특히 SA가 수은의 순환 및 관련 미생물 활성 촉진과 관련이 있음을 시사한다. hgcA 유전자를 가진 수은 메틸화 미생물 군집은 Deltaproteobacteria, Chloroflexi 및 Euryarchaeota가 각각 전체 hgcA 유전자 염기서열의 37.9%, 35.8% 및 6.5%를 차지하며, 해양 환경에서 수은 메틸화 미생물로 가장 잘 알려진 황산염 환원 박테리아 이외에도 다양한 미생물이 연안 퇴적물 내에서 수은의 메틸화에 잠재적으로 중요하게 관여한다는 것을 나타냈다