抗生素对湖泊沉积物中铁循环微生物功能群的作用机制

Iron cycling process is an important driver of the earth’s surface material cycle, and couples the cycling of life essential elements such as C, N, S, P, which has great significance in geology and environment. The iron cycling process in anoxic - anaerobic conditions of the lake sediments is mainly controlled by microbial functional groups. In recent years, the rapid development of aquaculture industry in lakes has led to the accumulation of a large number of antibiotics in the sediments. Because the antibiotics has bactericidal or bacteriostatic function, the accumulated antibiotics are bound to impact the microbial functional groups of iron cycling in the lake sediments, thus affect the iron cycling process. Aiming at this unnoticed important impact, this project will study the effect of antibiotics on functional microorganism growth and metabolism, antibiotic resistance and content of resistance genes, microbial community structure and functional genes in iron cycling process, so as to reveal the mechanism on the impact of antibiotics on microbial cycling of iron in the lake sediments. The research results provide the theoretical evidence for the impact of antibiotics on the ecosystem and pollution risk assessment of lake environment, and new insight into the cycling process of life essential elements in polluted lakes by antibiotics.

铁循环是地表物质循环的重要驱动力，同时耦合调控着C、N、P、S等生源要素的循环，具有重要的地质与环境意义。湖泊沉积物缺氧-厌氧环境中的铁循环主要由微生物功能群调控。近年来湖泊水产养殖业的快速发展导致沉积物中抗生素大量蓄积。由于抗生素具有抑菌或杀菌性，湖泊沉积物中累积的抗生素势必会对铁循环微生物功能群产生重要作用，从而影响铁的循环过程。针对此尚未被关注的重要作用，本项目拟通过野外采样和室内模拟实验，研究抗生素对湖泊沉积物中铁循环功能微生物生长代谢过程、耐药性和抗性基因、铁循环功能微生物群落结构与功能基因的影响，以揭示抗生素对沉积物铁微生物循环的作用机制。研究结果为诠释抗生素对湖泊生态环境的影响和污染风险评估提供科学依据，为污染湖泊中生源要素的循环规律提供新的认识。

湖泊沉积物中的铁循环耦合调控着C、N、P、S等生源要素的循环，具有重要的地质与环境意义。而湖泊水产养殖业的快速发展导致沉积物中抗生素大量蓄积，由于抗生素具有抑菌或杀菌作用，其对铁循环功能微生物的影响却鲜少有人关注。本项目选取了养殖型湖泊洪湖和生态湿地沉湖作为研究对象，分析了湖水-沉积物-地下水等不同环境介质中抗生素的分布特征及影响因素。不同季节多批次采样结果表明，多数抗生素在湖泊水体中均有检出，浓度范围在ng/L-μg/L水平，湖泊水环境功能分区、水-沉积物相互作用和季节性变化对抗生素浓度影响显著。沉积物中抗生素浓度为低μg/kg 水平，在表层沉积物中，围垦区和常年洪涝区抗生素含量高于湖滨区。常年洪泛区的水力相互作用促进了抗生素向湖泊沉积物的深度迁移。洪湖和沉湖表层沉积物中总铁含量范围分别为4.3~10.6 mg/g和39.8~45.4 mg/g，且从表层到深层呈下降趋势。剖面沉积物中铁形态以易还原态为主，主要含铁矿物为菱铁矿、水铁矿/纤铁矿、针铁矿/赤铁矿，河流入湖区有效态铁含量高于其他区域。洪湖沉积物中针铁矿、赤铁矿和磁铁矿等含铁矿物与磺胺类、四环素和氟喹诺酮类等抗生素之间有较强的相关性，说明含铁矿物的存在对沉积物中抗生素的富集产生一定影响。在此基础上，研究了典型抗生素恩诺沙星、四环素、罗红霉素和磺胺嘧啶对铁还原微生物Shewanella oneidensis MR-1的生长过程和铁还原功能的影响，发现抗生素的加入对MR-1菌的铁还原功能产生了抑制，且随着抗生素浓度的增大，抑制作用增强。抗生素类型、暴露浓度和时间对功能菌株的生物量、代谢活性和铁循环速率的影响差异较大。在实际沉积物中添加抗生素后发现，低浓度抗生素在加入初期促进了铁的还原，后期表现为抑制铁呼吸微生物的生长，且磺胺甲恶唑比氧氟沙星的抑制作用更强。通过高分辨率采样分析揭示了抗生素在实际沉积柱中的迁移机制，抗生素的加入对沉积物中微生物的数量和种类均产生了一定影响。研究结果为污染湖泊的生态效应及元素地球化学过程提供了新的认识。