人工湿地丛枝菌根真菌与纳米氧化铜的互作效应及净化机制研究

CuO nanoparticles (CuONPs) are important pollutants in the aquatic environment in China. Constructed wetland (CW) is one of the important techniques for removing CuONPs in water. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) extensively exist in wetland habitats and form mutualistic symbiotic associations with wetland plants, playing an important role in improving the growth and anti-adversity ability of host plants, therefore, AMF exhibit great application potential in enhancing decontamination effect of CW. However, the interactions between AMF in CW and CuONPs and the mechanisms of AMF strengthening the CuONPs purification of CW are not clear. Therefore, in this project, we will construct vertical flow artificial wetland systems and study the effects of AMF on the CuONPs purification of CW under different hydraulic retention times and CuONPs concentrations. In addition, we will illustrate the interactions between AMF in CW and CuONPs, and also explore the mechanisms of AMF improving the purification effect of CuONPs-polluted water in CW, in the aspects of the transfer and fate of CuONPs, the plant growth and root characteristics, the activities of antioxidant enzymes, and the analyses of differentially expressed genes. The study will provide scientific basis for the research on the mechanisms of mycorrhiza strengthening the decontamination ability of CW.

纳米氧化铜（CuO nanoparticles，CuONPs）为我国水域环境重要污染物，人工湿地是有效去除水体CuONPs污染的重要技术之一。丛枝菌根真菌（AMF）在湿地生境中广泛存在，与湿地植物共生，在促进植物生长和提高其抗逆能力等方面发挥重要作用，在增强人工湿地净化废水效能方面具有较大的应用潜力。然而，AMF在人工湿地中与CuONPs的互作关系及其强化人工湿地对CuONPs的净化功能的作用机制尚不明确。因此，本项目拟构建垂直流人工湿地模型，在不同水力停留时间和CuONPs浓度下研究AMF在人工湿地净化CuONPs污染中的作用，并从CuONPs的迁移与归趋、植物生长与根系特征、抗氧化酶系活性、差异表达基因等方面阐明人工湿地生境下AMF与CuONPs的互作效应，并揭示AMF提高人工湿地净化CuONPs污染废水的机制。该研究结果将为探明菌根强化人工湿地除污净水的机制研究提供科学依据。

纳米CuO（CuO-nanoparticles，CuO-NPs）是目前污染严重、毒性较高的环境污染物。丛枝菌根真菌（AMF）能与湿地植物共生，在强化人工湿地去除水体CuO-NPs污染方面具有巨大的应用潜力。本研究以芦苇和摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae）为研究对象，通过构建垂直流人工湿地模型，研究在不同CuO-NPs浓度下人工湿地的去污效果；探究了CuO-NPs在人工湿地系统中的迁移与积累规律；从植物生长与营养、根系特征、光合特征、渗透调节物质含量及抗氧化酶活性等多个途径分析了芦苇-AMF与CuO-NPs的互作效应并探究其协同净化的生理机制；从转录组学水平探索了AMF协同净化CuO-NPs污染的分子机理。研究结果表明：接种AMF后的湿地系统对废水中COD、TN和CuO-NPs的净化效能有显著提高（P<0.05）；CuO-NPs胁迫下接种AMF促进了芦苇幼苗的生长和营养的积累，并显著提高了其根系活力（P<0.05）；接种AMF能显著提高芦苇的叶绿素含量和渗透调节物质含量，增强植物的光合作用和抗氧化酶活性，使得叶片的MDA和ROS含量显著降低（P<0.05）；接种AMF提高了芦苇对Cu的吸收能力，同时显著降低了Cu在宿主植物体内的转运系数；AMF的接种能够促进Cu更多的聚集在细胞壁中；接种AMF提高了芦苇地上部分可溶态和果胶酸盐态Cu的积累；CuO-NPs胁迫下AMF的侵染引起芦苇的基因表达的系统性变化，主要涉及细胞氧化还原状态、运输、代谢和转录因子调节；AMF调控参与ROS清除、转运蛋白和关键细胞代谢过程的DEGs的表达；AMF对bHLH、ERF、MYB和WRKY等转录因子的特异性激活是缓解CuO-NPs的毒害的重要机制。项目研究成果为探明AMF强化人工湿地除污净水的机制研究提供科学依据，同时为AMF在水体金属纳米颗粒污染治理中的应用提供了理论基础。