重大突破

南京地理所关于湖泊内生源有机质对类固醇雌激素生物降解的激发效应研究取得进展

  由于气候变化和人类活动加剧,全球淡水湖泊面临着富营养化和新兴污染的复合污染问题。作为富营养化的最直接后果,湖泊蓝藻水华不仅导致水环境质量下降及水生态失衡,而且蓝藻代谢过程和残体分解会释放大量的生源有机质OM)进入水体和沉积物。生源OM主要由蛋白质、多糖、腐殖质、小分子有机酸组成,是湖泊系统中微生物群落的重要碳源和能量来源,影响着群落组成、代谢活性及功能结构,因而与水体和沉积物中新兴污染物的生物分解息息相关。 

  乙炔雌二醇(EE2)是一种典型的人工合成类固醇雌激素,其在极低浓度下即可对生物和人体造成强烈的内分泌干扰效应。淡水湖泊是EE2在自然环境中的一个重要,EE2在湖泊中的自然衰减是决定其生态风险的主要因素。蓝藻水华暴发时,湖泊水柱的透光率极低,光分解作用受到限制,微生物降解是EE2的主要衰减途径。然而,EE2的环境浓度通常并不足以维持分解菌的生长,其更多是以共代谢的方式被微生物降解。同时,基质竞争及微生物选择也是影响EE2生物降解的潜在机制。虽然目前已有一些关于OM对新兴污染物生物降解的研究,但大部分针对污水处理工艺展开,面向浅水湖泊的研究很少,特别是,缺少生源OMEE2生物降解中微生物功能机制的激发效应认知。 

  中科院南京地理与湖泊研究所江和龙团队的白雷雷博士以江苏太湖为对象,分别研究了湖泊生源OM介导下,单株EE2降解菌Rhodobacter blasticus和沉积物微生物群落对EE2的生物降解特征,比较了生源OM和陆源OM对细菌生长、代谢活性、群落结构及群落功能的激发效应,明确了OM生物利用度与新兴污染物生物衰减的耦合关系。 

  主要研究结果表明: 

  1.生源OM提高了EE2降解菌的生长速率及分解活性。从太湖周边河道沉积物中筛分出一株EE2降解菌Rhodobacter blasticus,在无外加碳源时,5天内该菌株对500 μg/L EE2的降解率仅为10%。添加10 mg C/L藻华湖水OM后,EE2降解率升至44%-53%,并显著高于陆源OM处理组(图1)。进一步将降解率生物量标准化,发现生源OM不仅提高了降解菌的丰度,而且增强了单体降解菌对EE2的代谢活性。 

1 不同来源有机质(OM)对Rhodobacter blasticus降解乙炔雌二醇(EE2)的影响。(TWTS分别代表太湖湖水OM和沉积物OMPWPS分别代表鄱阳湖湖水OM和沉积物OMHA代表陆源OM  

  2。沉积物中EE2的生物降解与OM中可生物利用浓度呈正相关。采集太湖梅梁湾沉积物构建水-沉积物系统,分别添加生源(藻、草源)OM和陆源OM,经过30天和60天培养后发现,沉积物中EE2生物降解随OM浓度升高而增强(图2a),并且在相同浓度下,生源OM的促进作用约为陆源OM3倍。相关性分析表明,沉积物中EE2生物降解与OM矿化呈显著正相关(P < 0.001)(图2b),说明EE2主要通过与有机质共同代谢的方式进行分解。因此,生物可利用OM浓度是决定EE2生物降解的关键性因素。 

  

2 a)不同来源、浓度有机质(OM)输入对梅梁湾沉积物中乙炔雌二醇(EE2)生物降解的影响;(b)沉积物中EE2生物降解与OM矿化的相关性。(C-G3C-G代表13 mg C/g藻源OMM-G3M-G代表13 mg C/g草源OMH-G3H-G代表13 mg C/g陆源OM 

  3.生源OM提高了沉积物中微生物群落的稳定性和代谢活性。高浓度生源OM的输入既提高了沉积物微生物群落胞外聚合物(EPS)中蛋白质与多糖的含量,也在短期内增强了脲酶、中性蛋白酶、FDA酶、脱氢酶等胞外代谢酶的活性(图3)。EPS分泌和胞外酶活的提高,不仅意味着EE2更容易黏附在微生物细胞表面,而且表明形成了代谢更为活跃的微生物群体。 

  

 

3 不同来源、浓度有机质(OM)输入对梅梁湾沉积物微生物群落代谢活性的影响。(a)和(b)松散态、结合态胞外聚合物(EPS)中蛋白质和多糖含量;(c)和(d)胞外FDA酶和脱氢酶活性。(C-G3C-G代表13 mg C/g藻源OMM-G3M-G代表13 mg C/g草源OMH-G3H-G代表13 mg C/g陆源OM 

  4。生源OM加强了沉积物微生物群落成员的种间作用,提高了群落对新兴污染物的分解潜力。共现网络分析(Co-occurrence network analysis)表明生源OM中大量的蛋白类组分输入增强了沉积物微生物群落的种间互助作用,特别是AlphaproteobacteriaDeltaproteobacteriaGammaproteobacteria、及Bacterodietes。这些微生物对有机物的代谢潜力高,彼此生态位互补,形成了结构紧密的微生物群落,对污染物降解具有很强的适应性和代谢弹性。KEGG分析进一步证实了生源OM输入对沉积物微生物群落中新兴污染物代谢相关的功能基因丰度具有上调作用。 

  

4 a)梅梁湾沉积物中微生物群落与有机质荧光组成的共现网络关系(C1:类色氨酸;C2:类酪氨酸;C3:类生源腐殖质;C4C5:类腐殖质);(b)不同来源有机质输入对微生物群落KEGG代谢功能基因的影响。(C-G3C-G代表13 mg C/g藻源OMM-G3M-G代表13 mg C/g草源OMH-G3H-G代表13 mg C/g陆源OM 

  本研究明确了湖泊内生源有机质在类固醇雌激素生物降解过程中的激发效应,阐明了类固醇雌激素生物降解的关键驱动因子,提出了“蓝藻水华湖区是湖泊中新兴污染物生物衰减的热区”这一观点。随着全球范围内淡水环境蓝藻水华和新兴污染的形势日益严峻,本研究不仅有助于加深对富营养化湖泊中新兴污染物生消过程的理解,而且对湖泊复合污染控制技术的研发也具有重要参考价值。

  上述相关研究成果分别发表在环境科学和工程领域主流期刊Water Research (Water Research, 2020, 184: 116153)Environmental Pollution (Environmental Pollution, 2019, 246: 782-789)上。本研究受国家自然科学重点基金、面上基金、青年基金,国家重大水专项及江苏省自然科学青年基金等项目资助。 

  文章链接: 

   

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749118338910 

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