光和微生物聯合作用下淺水湖泊水體中植物殘體降解研究取得進展

2020-11-25 生物谷



水生植物是湖泊生態系統中的重要組分，在淨化水質、恢復水體生態功能等方面發揮重要作用。隨著全球氣候變暖、湖泊富營養化、沼澤化過程以及生態修復技術的推廣運用，促進了湖泊中淺水區域中挺水等高等水生植物的生長。每到秋冬季水生植物大量衰亡，植物殘體分解過程對湖泊系統生源要素循環有重要影響，甚至會導致草源性「湖泛」汙染現象。因此，深入認識淺水湖泊中水生植物殘體降解機理，有助於湖泊科學管理和治理修復。

儘管關於湖泊中植物殘體分解的相關研究較多，但是以往的研究主要關注於植物殘體在湖泊生態系統中的生物分解過程，植物殘體的光降解過程常常被忽視，光對生物降解的影響更是未有報導。實際上，在天然水體中，強氧化性物質-活性氧物種（reactive oxygen species， ROS）在水體的光化學、氧化還原反應、有機質的降解及轉化過程中發揮著重要作用。但是，目前並不了解水生植物衰亡期ROS的產生過程，特別是缺少對光和微生物共存的條件下，產生的ROS對植物殘體分解及微生物的影響。

中國科學院南京地理與湖泊研究所江和龍團隊博士宋娜通過在室內設置不同的光降解和微生物降解條件下的微宇宙實驗，包括：紫外+可見光降解組、紫外+可見光+微生物降解組、紫外降解組、紫外+微生物降解組、可見光降解組、可見+微生物降解組、單微生物降解組，同時設置室外自然光驗證實驗，在水生植物殘體的降解期間（108天），持續測定殘體生物量、纖維素、半纖維素及木質素的去除率、殘體的化學組成變化、主要ROS（·OH， 1O2和 3CDOM*）的產生速率及水體中

細菌

和真菌的群落組成變化。

主要研究結果表明：

（1）光輻射加速了淺水湖泊中植物殘體的降解：室內微宇宙及室外自然光驗證實驗均表明，光和微生物聯合降解作用下，植物殘體的去除率顯著高於單微生物和單光降解處理組（圖1），尤其加速了植物殘體組分中難降解組分木質素的去除。

（2）ROS在植物殘體降解過程中發揮重要作用：在植物殘體降解過程中，當水體中ROS被全部捕獲而無ROS存在時，不同處理組下植物殘體降解率降低25%-41%。三種主要降解難降解有機質的ROS--·OH， 1O2和 3CDOM*在殘體降解過程中持續產生，其中·OH的含量產生最多。經過統計分析進一步發現ROS含量與殘體生物量、植物不同組分尤其是其中木質素組分去除率呈顯著正相關關係（圖2）。

（3）光照改變了水生植物殘體降解過程水體中微生物群落結構：本研究發現，水生植物殘體降解過程中，光照的存在對微生物總量的影響並不顯著，卻對群落結構有著明顯的改變（圖3）。在光和微生物聯合降解下，降解難降解有機質的特殊

細菌

(如Treponema 和 Magnetospirillum) 和真菌(如Aspergillus)含量增加，同時，促進了某些產生ROS的微生物的生長。

在此基礎上，研究人員構建了淺水湖泊水體中植物殘體分解的光-微生物聯合驅動機制。一方面，光照促使光敏性物質（主要為植物殘體中的木質素組分、水體中的NO2-， NO3-等無機物質以及可溶性有機質）吸收質子產生ROS。這些具有強氧化性的活性自由基通過攻擊植物殘體，從而改變植物殘體的化學組成，加速了植物殘體組分中難降解物質的去除；另一方面，光輻射作用下，降解難降解有機質的微生物含量的增加，促進了植物殘體的分解。水體中兩種有機質礦化途徑-光降解和微生物降解通過相互協同作用促進水體中植物殘體的分解（圖4）。

研究還發現，光降解和微生物降解對植物殘體的短期和長期分解階段產生的可溶性有機物（DOM）的組分也有著不同的影響（圖5）。短期分解階段，DOM主要通過植物殘體的物理溶出以及易分解物質的釋放產生，光降解和微生物降解對這一階段DOM的化學組成差異性影響並不顯著；而在長期分解階段，光-微生物的聯合降解促進了DOM中木質素類組分、縮合類化合物以及芳香族類化合物這一類難降解組分的分解，並且在這一過程中，ROS的產生同樣發揮著促進其中難降解組分的去除的作用。

該研究首次揭示了光降解在淺水湖泊中植物殘體的分解過程中發揮著雙重作用，提出了基於光-微生物間相互作用的淺水湖泊水體中顆粒有機質分解機制。植物殘體的分解是湖泊中碳的重要存貯庫，該研究將有助於深入了解全球氣候變化和區域環境變化下湖泊系統碳循環過程；另外，通過分析植物殘體降解過程中ROS產生特徵，對湖泊中新型汙染物的環境行為及防控研究也有重要科學參考價值。

上述相關研究成果分別發表在環境科學和工程領域期刊Water Research(2020， 172： 115516)和Chemosphere(2020， 242： 125155)上。該研究受國家自然科學重點基金、面上基金、中科院創新交叉團隊等資助。（

生物谷

Bioon.com）

相關焦點

  • 研究解析高CO2濃度條件下參與大豆光合碳轉化和殘體降解的細菌群落...
    大氣二氧化碳（CO2）濃度升高可促進植物的光合作用過程，改變植物光合碳向土壤中釋放的質和量，進而顯著地影響陸地生態系統的碳儲量。光合碳進入土壤後經土壤微生物途徑向不同方向轉化，因此，微生物對植物光合碳向陸地生態系統碳分配具有重要作用。
  • 沉水植物如何影響湖泊水體光環境?
    但人類的活動能夠加速這一過程，在我國，由於近幾十年來經濟的高速發展和過度的湖泊資源開發利用，大量的氮磷營養物質隨著工業廢水、生活汙水排入湖泊水體中，導致湖泊水體營養物質過剩，水體發生富營養化，長江中下遊區域湖泊尤為嚴重。
  • 城市環境所在光催化耦合微生物同步降解抗生素及機理分析方面獲進展
    近期，中國科學院城市環境研究所城市汙染物轉化重點實驗室在光催化耦合微生物同步降解抗生素及機理分析方面取得新進展。在ICPB體系中，光催化材料與微生物同時負載在一個載體上，難降解的化合物首先通過光催化氧化的作用被轉化為可生物降解的物質，隨後微生物通過代謝作用對其進行進一步降解，通過該過程的循環進行，化合物能被有效降解甚至完全礦化。
  • 水生所在杭州西湖生態基底改良和沉水植物修復研究中取得進展
    杭州西湖是我國列入《世界遺產名錄》中的湖泊類文化遺產，也是我國城市景觀湖泊的典型代表，位於太湖流域杭嘉湖片區東部，為封閉式城中淺水湖泊。近年來，杭州市政府通過綜合保護等工程，開展引水、疏浚、截汙等措施，西湖水體質量有了一定提高，同時較多新的科學問題和實際需求也不斷提出，進一步改善西湖水環境質量，修復水生態系統，提高湖泊生態服務功能十分重要。沉水植被的恢復是西湖生態修復的關鍵，但西湖「香灰土」底質生境使沉水植物難以定植擴繁。
  • 中國淡鹹水湖泊有色溶解性有機物研究取得進展
    中國淡鹹水湖泊有色溶解性有機物研究取得進展 2019-01-30 東北地理與農業生態研究所 水體中的CDOM主要有外源和內源兩個部分，外源主要由陸生植被降解後形成的腐殖質由河流攜帶進入水體中；內源主要由浮遊植物的光學降解形成。目前關於內陸湖泊CDOM的研究多集中在單一的淡水湖泊中，對於鹹水湖泊的CDOM研究非常有限，尤其是全國範圍的鹹水湖泊CDOM研究還鮮見報導。
  • 微生物在富營養水體修復中 起到了多大作用?
    水體富營養的一項重要表徵是藻類大量繁殖。水體中藻類生長離不開碳、氮、磷3 種關鍵元素的存在，在受氮、磷元素影響的水體中，尤其是封閉水體，藻類會不斷繁殖，消耗水體中大量溶解氧(DO)，而藻類的死亡和解體又會將從水體中所吸收的氮、磷元素釋放回水體，從而造成水體中藻類的惡性循環，並形成二次汙染。
  • 大型淺水湖泊藍藻水華暴發動態特徵及其機制研究獲進展
    國際學術界對藍藻水華發生機制已經進行了多年的研究，但是對於類似太湖的大型淺水湖泊，其藍藻水華常常是「來無影、去無蹤」，水華的「出現」和「消失」往往呈現較大的時空差異，西方經典的光照調節機制並不能合理地解釋太湖水華「暴發」的現象，使得對太湖藍藻水華開展監測、調查、模擬與預測都非常困難。
  • 長江中下遊湖泊富營養化發生機制與控制對策獲進展
    該項目集中院內多家優勢力量，強化學科交叉，全力攻關，三年來，通過對長江中下遊100多個湖泊的調查、研究，在湖泊的底泥內源汙染及釋放機制、富營養化湖泊內源汙染控制及生態修復的理論和治理方面都取得了重大的創新性進展，為我國即將開展的大規模湖泊富營養化治理提供了科學儲備和技術支撐，同時也為填補國際湖泊學有關淺水湖泊的研究空白做出了重要貢獻。
  • 省科學院微生物所發現黑臭水體沉積物中多環芳烴的微生物降解轉化...
    近日，省科學院微生物研究所和華南農業大學聯合培養的碩士研究生錢柚粉在國際著名權威期刊《Journal of Hazardous Materials》發表了題為「Synergistic interactions of Desulfovibrio and Petrimonas for
  • 蠡湖良性草型生態系統重構為淺水湖泊治理與恢復提供參考
    在「十三五」水體汙染控制與治理國家重大科技專項「梅梁灣濱湖城市水體水環境深度改善和生態功能提升技術與工程示範」項目和無錫市支持下，2017年，中國科學院南京地理與湖泊研究所聯合江蘇江達生態科技有限公司、中科院水生生物研究所、生態環境部南京環境科學研究所、水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院和中國環境科學研究院等單位開展聯合技術攻關。
  • 外源養分添加和土壤團聚體結構對微生物殘體影響研究獲進展
    微生物殘體不僅是土壤有機碳庫的重要貢獻來源，也可以通過土壤團聚體結構的調控間接影響土壤有機碳庫的穩定性。但是關於土壤養分的可獲得性、團聚體結構以及它們的交互作用如何影響微生物殘體的積累及其對有機碳庫的貢獻，人們尚缺乏清晰認識。
  • 「技術交流」湖泊水體生態修復工程技術要點
    、湖盆、水生生物三個層次的循環及其失衡機理，研究藍藻水華的生消動力學、水生植被的生態系統功能和穩態轉換作用以及湖泊－流域複合生態系統特徵與管理。在富營養化調查、面源汙染控制、湖濱帶生態修復、水華暴發機理和控制等方面取得了一定的研究成果，逐步形成了「治湖先控源」的理念及湖泊流域汙染治理集成技術體系。理論上，即使外源汙染能完全截除，但沉積物中營養鹽內負荷的存在與釋放，水中的營養鹽依舊存在。實際上，如降水、地表徑流等外源汙染也不可能徹底截除。
  • 【水生態】湖泊水體生態修復工程技術要點
    圖 1：浮床（左）或浮島（右）實景照片2.4沉水植物調控技術沉水植物是水體自淨生態系統生物鏈中重要的「生產者」，直接吸收底泥中的氮、磷等營養，利用透入水層的太陽光和水體好氧生化分解有機物過程產生的CO2進行光合作用並向水體復氧，從而促進水體好氧生化自淨作用；同時沉水植物又為水體其他生物提供生存或附著的場所，提高生物多樣性
  • 重慶研究院在脫氮微生物研究中取得進展
    近日，中國科學院重慶綠色智能技術研究院環境微生物與生態研究中心在高效脫氮微生物研究方面取得新進展。　　含有高濃度氨氮的廢水是廢水處理領域的一大難題，高濃度的氨氮會嚴重抑制汙水處理中多種功能微生物的活性，使得經濟有效的生物處理方法難以有效發揮作用。研究團隊於垃圾滲濾液中，分離篩選出具有對氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽都有很強降解功能的菌株，將其命名為DN-7菌株。
  • 氨氧化菌降解磺胺類抗生素機制研究取得進展
    磺胺類抗生素及其耐藥基因在環境中普遍存在且對生態和人體健康造成危害，目前已成為全球關注的環境問題。微生物降解是環境中磺胺類抗生素去除的主要途徑，而氨氧化菌是降解磺胺類抗生素的重要菌群。在國家自然科學基金等的聯合資助下，中國科學院南京地理與湖泊研究所周麗君、維也納大學韓平等科研人員利用三種不同種類的氨氧化菌純菌（包括氨氧化古菌（AOA）N. gargensis、氨氧化細菌（AOB）N. nitrosa Nm90和完全氨氧化菌（Comammox）N. inopinata）對7種磺胺類抗生素進行微生物降解，考察不同氨氧化菌的降解能力
  • 南京地理所在小型雜食性魚類對湖泊生態系統的影響研究中獲進展
    魚類在維持湖泊食物網結構與功能穩定中發揮重要作用。雜食性魚類是指同時以植物性餌料和動物性餌料為食的魚類，可至少從兩個營養級中獲取食物來源。例如，鯉可攝食搖蚊幼蟲、水蚯蚓和植物碎屑；鰱、鱅可攝食浮遊植物和浮遊動物。因此，雜食性魚類可通過多種途徑（多個營養級）影響湖泊生態系統的結構與功能。
  • 新疆生地所在乾旱區湖泊微生物多樣性和重金屬抗性基因研究中獲進展
    湖泊是我國西北乾旱區重要的水資源，對於維護生態安全和保障當地居民生產生活具有重要意義。水體微生物在湖泊元素地球化學循環和汙染物的消除轉化過程中發揮著重要的作用。
  • 過硫酸鹽高級氧化降解水體中有機汙染物研究進展
    過硫酸鹽高級氧化降解水體中有機汙染物研究進展北極星水處理網訊:摘 要：基於硫酸根自由基（sulfate radical，SO4－∙）氧化原理的活化過硫酸鹽（persulfate，PS）氧化法是近年來高級氧化工藝（advanced oxidation
  • 「技術分享」關於水體修復的資料大全
    從生物的選擇和培養應用上來分主要包括直接投加微生物技術、培養微生物技術和高等生物修復技術等。直接投加微生物技術這種技術適用於當水體中汙染物的降解菌很少甚至沒有，在現場富集培養降解菌存在一定難度時的情況，它是通過向水環境中引入菌種來實現的。其微生物的來源有土著微生物、外來微生物和基因工程菌。
  • 淡水湖泊生態系統生物固氮研究取得進展---中國科學院
    生物固氮作用為陸地及水生態系統提供了大量的氮源。目前，關於生物固氮作用的研究主要集中在陸地和海洋生態系統。然而，淡水湖泊生態系統生物固氮作用的研究相對較少。在國家自然科學基金與中國科學院前沿重點項目的資助下，中科院南京地理與湖泊研究所吳慶龍團隊通過對撫仙湖表層和真光層固氮微生物空間分布特徵進行研究，揭示了撫仙湖固氮微生物的空間分布的高異質性及影響因素。相關成果最近發表在生物領域國際期刊Microbial Ecology上。