浅水湖泊生源有机质介导下类固醇雌激素的生物降解特征与机制

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近年来由于气候变化和人类活动的影响,浅水湖泊面临着严峻的复合污染问题。富营养化湖泊中,蓝藻水华暴发产生大量生源有机质(OM)到水体中,通过多种生物地球化学过程影响其他污染物的归趋。类固醇雌激素(SEs)作为一类常见的内分泌干扰物,其生态风险和毒性效应受到广泛关注。SEs在浅水湖泊中的自然消减与水体中OM的浓度和组成密切相关。然而,以往的研究多采用标准有机质,而湖泊生源OM对SEs生物降解的影响研究较少,特别缺少湖泊生源OM介导下微生物降解SEs的群落功能机制认识。为此,本研究以富营养化湖泊–太湖为研究区域,以藻源OM(COM)、草源OM(MOM)为湖泊生源OM的代表,以天然雌激素E2和人工合成雌激素EE2为典型的SEs,分别研究生源OM对湖泊水柱和沉积物中SEs生物降解的影响特征与机制。主要的研究内容和结果如下:(1)探究了COM介导下湖泊水柱中E2的生物降解特征与机制。对COM中不同生物活性的分子组成进行分离和表征,发现活性组分主要包括蛋白质,多糖和不饱和烃,而半活性和非活性组分主要为木质素、单宁酸、脂类和芳香烃类分子。E2生物降解实验表明COM中活性分子并未产生基质竞争和代谢阻遏效应,反而将E2降解速率从0.017 h–1提高到0.097 h–1;半活性分子难以作为细菌生长的可靠碳源,导致降解速速率降低到0.031 h–1;非活性分子虽然不能促进细菌生长,但可激发E2降解菌的活性,从而提高单位生物量的E2降解速率。此外,E1作为E2降解的中间产物,其累积过程也受COM生物活性影响。微生物群落分析表明COM改变了菌群的群落结构和组成,增加了β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的相对丰度,而非活性分子有利于寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)和短波单胞菌属(Brevundimonas)的生存。进一步考察夏季蓝藻水华暴发期太湖北部10个位点水体中E2的生物降解潜力,发现E2降解效率与活性和非活性组分的含量呈正相关(P<0.001)。这些结果表明蓝藻水华暴发产生的大量活性和非活性分子是影响湖泊水柱中类固醇雌激素生物降解的关键物质。(2)明确了生源OM的种类和浓度对湖泊沉积物中EE2生物降解及微生物活性的影响。三维荧光结合平行因子分析(EEM–PARAFAC)表明,COM和MOM主要以类蛋白荧光组分(酪氨酸和色氨酸)为主,而类腐殖组分(生物源腐殖质、腐殖酸、类富里酸物质)的含量较低。通过两个月微宇宙实验发现,COM和MOM的释放均促进了太湖沉积物中EE2的生物降解,降解效率与可降解有机碳的含量显著正相关(P<0.01),表明生源OM主要通过共代谢的方式促进EE2的生物降解。然而,生物源腐殖质也可能通过酶激发增强EE2生物降解。酶活分析表明,COM和MOM的分解显著提高了微生物群落的胞外代谢酶活性,如荧光素二乙酸水解酶、脱氢酶、脲酶、中性蛋白酶等。同时,微生物群落胞外聚合物(EPS)中蛋白质和多糖的含量也与类蛋白有机质呈正相关。这些结果说明生源有机质的共代谢强化了沉积物中本土微生物的代谢活性,产生大量的EPS可将EE2有效固定到微生物细胞周围,并于胞外酶接触,进而促进其分解。(3)分析了生源有机质对湖泊沉积物中微生物群落功能代谢机制的影响。COM和MOM的存在均增加了微生物的生物量和多样性。共现网络分析表明,在EE2生物降解过程中,微生物群落组成和代谢功能与OM的浓度及结构密切相关。OM中活性组分是影响微生物类群生态位空间和促进相互作用的主要因素。同时,OM也强化了不同微生物个体协同分解有机质的种间相互作用,进而促进了微生物群落对EE2的生物降解。根据KEGG数据库注释的代谢通路分析,COM和MOM有利于微生物基因组中碳水化合物、氨基酸和异型生物质代谢等功能基因的富集,证实生源OM不仅强化了沉积物中的碳分解过程,而且还增加了污染物分解的功能基因丰度。这些结果说明,蓝藻水华暴发产生的生源OM,可能加快了湖泊水柱及沉积物中类固醇雌激素的生物降解,而雌激素降解产物在富营养化湖泊中的环境归趋和生态效应需引起重视。
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