文献解读|在富营养化湖泊的水-沉积物系统中,原生有机物对17α-乙炔雌二醇强化降解的启动效应

来源: 北京索莱宝科技有限公司   2021-1-15   访问量:674评论(0)

在过去的几十年中,气候变化和日益严重的富营养化增加了淡水湖泊中蓝藻的发生和大型植物的过度生长。在蓝藻和大型植物生长和衰变过程中产生的原生有机物(AOM)显著改变了沉积物中有机质的浓度和组成。AOM改变了微生物群落组成和代谢功能。天然有机物(OM)是氨基酸、蛋白质、碳水化合物和腐殖酸(HA)等复杂有机物的混合物,是异养细菌最重要的碳和能量来源。雌激素被不同微生物降解是沉积物中雌激素活性不可逆衰减的重要机制。然而,先前涉及有机物(OM)对雌激素降解影响的研究大多使用单一易降解或难降解的末端成员,例如葡萄糖、蛋白胨和腐植酸,而这些化合物在AOM中的浓度都不同,造成将现有成果转化为湖泊沉积系统的困难。AOM的增加如何通过调节细菌群落的代谢网络(如代谢活动、种间相互作用和功能基因)来影响雌激素的衰减仍然是一个问题

明确评价AOM投加量的增加对沉积物中雌激素降解的影响,以太湖的天然沉积物为研究对象,进行了为期2个月的水-沉积物微观研究。最具生物活性的雌激素EE2被选为目标污染物。以太湖新鲜蓝藻和水生植物源有机质(COM和MOM)为自生有机质。首次测定了有机质的含量和质量对EE2降解的影响。然后,从胞外酶活性和胞外聚合物(EPS)产量两个方面研究了细菌代谢活性的变化。此外,利用高通量基因测序技术,从种群组成、结构和代谢基因等方面系统地描述了原生细菌群落的演化。这项研究的结果将在日益富营养化和进一步的气候变化下,为雌激素在地表水中的命运和毒性提供一个更深入的了解


基本信息


题目:

Priming effect of autochthonous organic matter on enhanced degradation of 17α-ethynylestradiol in water-sediment system of one eutrophic lake

期刊:Water Research

影响因子:9.13

PMID:32726734

第一作者:白雷雷

通讯作者:江和龙研究员

作者单位:中国科学院南京地理与湖泊研究所

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研究背景和摘要



气候变化和日益严重的富营养化预计将增加沉积物中原生有机物(AOM)的释放,其中蓝藻和大型植物生长和衰变过程中产生的AOM显著改变了沉积物中有机质的浓度和组成。于是作者为了探讨蓝藻和大型植物源有机质(COM和MOM)对富营养化太湖沉积物中17α-乙炔雌二醇(EE2)降解的影响,进行了为期2个月的水-沉积物微观研究。从有机质的含量和质量两个方面研究对EE2降解的影响。其次从胞外酶活性和胞外聚合物(EPS)产量两个方面研究了细菌代谢活性的变化。并且利用高通量基因测序技术,从种群组成、结构和代谢基因等方面系统地描述了原生细菌群落的演化。结果表明COM和MOM对EE2降解的促进作用均强于腐殖酸,且降解效率与沉积物中有机碳增加的共代谢性显著正相关。COM和MOM中的可生物降解成分的分解显著增强了胞外酶的活性,以及增加胞外聚合物中蛋白质和多糖产量。同时,细菌群落结构向富营养化方向发展,导致有机碳和外源物质代谢功能基因明显上调。基于相关的网络分析进一步确定了群落成员之间的强促进协调性和代谢中有机质的成分变异性。



研究内容及结果



1.EE2在水-沉积物系统中的降解

为了解EE2在水-沉积物系统中的降解,作者通过建立水-沉积物微观结构将上覆水和沉积物混合并冷冻干燥后对EE2定量测定。结果发现EE2浓度显著下降,最终去除率达到44%-99%(图1)。在非生物控制中,EE2的浓度下降小于8%,证明了非生物过程,如化学水解、化学还原和不可逆吸附在降解中起到了次要作用,并且EE2主要是通过沉积物中的微生物降解去除。OM质量在决定雌激素降解中起重要作用。相同浓度的COM和MOM对EE2的降解有相似的促进作用。相比之下,HA的存在对EE2降解的促进作用要弱得多。在第30天和第60天,采用双向方差分析,发现有机质数量和质量对EE2降解的显著交互作用。随着EE2的降解,水-沉积物系统中的有机碳含量也降低。同样,有机质的降解率也与有机质的数量和质量有关。作者进一步发现,水-沉积物系统中TOC的去除与EE2降解效率正相关。TOC和EE2浓度的同步下降表明EE2利用有机碳,同时也被细菌代谢降解。


图1

2.细菌活性对OM输入的反应

2.1胞外聚合物(EPS)产量

为了研究细菌代谢活性变化,作者对胞外聚合物产量进行研究。研究结果发现较高浓度的COM和MOM主要促进胶体EPS(C-EPS)的产生,而三种OM对结合EPS(B-EPS)分泌的影响更为相似(图2)。此外,虽然在第一个月时,内源性OM对EPS产生的促进作用强于HA,但在孵育结束时,HA对胞外蛋白和多糖的分泌有显著的促进作用。有效碳源也可以增加细菌数量,促进沉积物中EPS的分泌,导致总EPS浓度与OM中可生物降解浓度之间正相关。色氨酸和酪氨酸样组分与第30天EPS中的蛋白质浓度显著正相关,多糖浓度与酪氨酸样组分正相关。HA具有大的表面积和与EPS中的脂肪族、芳香族和羧基的强结合位点,因此它也可能通过结合增加EPS浓度。此外,HA的沉积物中胞外酶活性较低也有助于在培养过程中EPS的逐渐积累。


图2

2.2胞外酶活性

接着为了比较水-沉积物系统中细菌群落的代谢活性,作者研究了5种胞外酶的活性。孵育30天后,1mg C g-1的OM使UA活性从227.64增加到255.92-327.65U/g,显著低于3mg C g-1OM沉积物中的UA活性。第30天脲酶UA的活性依次为3C-G(COM at 3mg C g-1)>3M-G(MOM at 3mg C g-1)>3H-G(HA at 3mg C g-1),但在孵育结束时,它们的活性接近。此外,尽管在第30天,3mg C g-1的COM和MOM的促进作用明显强于HA,但OM沉积物中最终中性蛋白酶NPA活性之间未观察到显著差异(图3b)。3mg C g-1的原生有机物OM显著增加二乙酸荧光素FDA活性(P<0.05),但最终FDA活性在C-G(COM at 1mg C g-1)、M-G(MOM at 1mg C g-1)和H-G(HA at 1mg C g-1)中相似(图3c)。对于脱氢酶DHA,1mg C g-1的COM比MOM更能增强DHA活性,而3M-G的DHA在孵化结束时最为活跃(图3d)。此外,3mg C g-1的HA对DHA活性没有显著影响。相关性表明,UA、FDA和DHA活性与第30天OM中的蛋白酪氨酸样物质显著正相关。因此,内源性有机质的输入对胞外酶活性的影响主要是暂时的,且与有机质的数量和质量有关。

COM和MOM改善的沉积物中UA活性较高,说明OM等原生沉积物中丰富的含氮化合物(如蛋白质、多肽和氨基酸)是细菌的有效氮源,促进了沉积物中氮的循环。由于大多数沉积微生物可以产生蛋白酶来水解肽键,从而将多肽链中的氨基酸连接在一起,COM和MOM中类似蛋白质的成分的存在也增加了NPA活性。但随着有机质的降解,添加的养分逐渐矿化,NPA活性降低。FDA的高活性也表明OM沉积物中有较强的微生物代谢活性。UA、NPA、FDA和DHA活性的增强表明,原生有机质的存在创造了一个活跃的微生物群落,其中可能包括增强的EE2代谢。


图3

3.细菌群落结构对OM输入的反应

3.1细菌群落组成

最后作者为了研究细菌群落的演化,利用高通量基因测序技术,从种群组成、结构和代谢基因等方面进行分析。高通量结果共产生307680个序列,并以97%的同一性分配给1588个OTU。根据qPCR分析,COM和MOM的存在更有利于细菌在第30天的生长,而长期暴露于HA也增加了生物量的生长。在2个月的培养期间,细菌群落组成的演变存在时间变异性。第30天,3C-G和3M-G的细菌群落与其它细菌群落有明显区别,而3C-G和3M-G的细菌群落相互接近,最终与C-G和M-G的细菌群落有所不同。这一结果突出了细菌群落组成对有机质浓度的敏感性。

为了阐明特定菌群对OM数量和质量的反应,确定了每个荧光OM组分的强度与细菌在类别和种属水平上的相对丰度之间的Spearman相关性(图4a和b)。

基于Spearman的OTU和荧光OM组分之间的相关性,进一步构建了共现网络(图4c和d)。正相关性占两个网络总相关性的一半以上。OTU之间的紧密相关性表明微生物在降解可生物降解有机质组分时具有很强的种间相互作用。

蛋白质类物质与群落成员之间的关联性更强,说明微生物在利用有机质等原生物质时比在腐殖酸降解过程中更倾向于共生和聚集。微生物之间的促进性相互作用可以协调微生物群落,以发展污染物降解的自发适应和代谢可塑性。因此,EE2降解的增强不仅与群落丰富度或物种丰富度的变化有关,而且与AOM沉积物中参与种间共营养合作的代谢途径有关。


图4

3.2细菌群落功能

由于代谢功能基因在OM 3mg C g-1微环境中所占比例最大,因此对其变化进行了进一步的研究(图5)。其中碳水化合物代谢最为丰富,其次是氨基酸代谢、脂类代谢和外源生物降解代谢。输入内源性OM后,各组间差异有显著性。

碳水化合物和氨基酸代谢途径的增加表明,COM组和MOM组的碳周转率和碳源利用率较高。此外,COM和MOM中的高分子量物质也可能诱导参与脂质代谢的功能基因显著上调。因此,代谢的上调很大程度上依赖于不稳定有机物成分的刺激。

与外源降解EE2相关的微生物个体的增加解释了EE2降解速度加快。氨基酸、碳水化合物和外源代谢基因的同时增加也证实了EE2降解中出现的共代谢现象。

外源生物降解能力的显著增加表明,类似OM的输入在沉积物中不仅通过增加细菌群落的活性增加了EE2的降解,而且通过重塑细菌的功能基因增加了EE2的降解。


图5



研究结论和意义

气候变化和日益严重的富营养化预计将增加淡水湖泊原生有机物的生物产量。本文研究了某富营养化湖泊底泥系统原生有机物输入对细菌群落及后续EE2降解能力的启动效应。有机质中可生物降解的组分也是细菌群落向富营养化状态转化的关键因素,促进了微生物间的相互作用,并导致有机碳和外源化合物代谢功能基因的上调。细菌群落活性、组成和功能的变化显著促进了EE2的降解,蓝藻为主的区域可能是富营养化淡水湖泊雌激素衰减的潜在热点区域。

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