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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

2020-02-10 南京地理與湖泊研究所
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  水生植物是湖泊生態系統中的重要組分,在凈化水質、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污染現象。因此,深入認識淺水湖泊中水生植物殘體降解機理,有助于湖泊科學管理和治理修復。

  盡管關于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于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道。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,目前并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 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于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 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系(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并不顯著,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 (Treponema Magnetospirillum) 和真菌(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-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并不顯著;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,并且在這一過程中,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,提出了基于光-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,該研究將有助于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產生特征,對湖泊中新型污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)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。

  文章鏈接:1 2

1 不同處理組下植物殘體的去除率。(A)室內微宇宙實驗;(B)自然光驗證實驗;(CCO2產生

圖2 ROS含量與植物殘體生物量、纖維素、半纖維素和木質素去除率的相關關系圖

3 不同處理組下水生植物殘體降解過程中水體中細菌(A-C)和真菌(D-F)的群落組成變化。

4 淺水湖泊中植物殘體的光和微生物聯合降解路徑

5 短期分解階段及長期分解階段光-微生物聯合降解處理組、微生物降解處理組及光降解處理組產生的DOM組分對比圖

打印 責任編輯:葉瑞優

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