附生菌群对沉水植物砷吸收与代谢的影响机制

Aquatic submerged macrophytes have attracted considerable attention recently for their phytoremediation potential of arsenic contaminated waters. However, water purifying function of the plants is most likely attributed to their composite system, because aquatic submerged plants habor abundant epiphytic bacteria on their leaves and stems. This project regard arsenic speciation transformation by epiphytic bacteria community and their host plants as the breakthrough point to study the roles of the plants and the epiphytic bacteria community, respectively, in the uptake, transformation, efflux and transportantion of two inorganic arsenic species by using the plants with or without bacteria under laboratory condition, and to discuss the influence of epiphytic bacteria community on arsenic uptake and transformation by aquatic surbmerged plants. Furthermore, we will characterize the arsenic metabolism of the epiphytic bacteria community by molecular biology techniques, and explore the diversity of epiphytic bacteria and arsenic metabolism-related gene. Based on the above research, the influence of environmental factors (DOC, nitrogen, phosphorus and arsenic) on arsenic uptak and transformation by the plants and the epiphytic bacteria community will be studied to explore the driving factors and the regulatory mechanism. This project is very important and meaningful, and will contribute to an overall understanding of arsenic uptake and metabolism, water quality purification, and ecological restoration function of aquatic submerged plants.

沉水植物具备修复砷污染水体的潜力而备受关注。但沉水植物茎叶表面常存在大量的附生细菌，其水质净化功能很可能是沉水植物-附生菌群复合体系的作用。本项目以附生菌群与沉水植物共同参与砷的形态转化为切入点，通过室内模拟实验，对比研究有菌和无菌植物对砷吸收转化、外排和体内运输特征的差异，探讨附生菌群对沉水植物砷吸收和转化的影响；利用分子生物学技术表征沉水植物附生菌群对砷的代谢特征，探明附生细菌多样性及砷代谢相关基因多样性；在此基础上，开展环境因素（DOC、氮、磷和砷浓度等）对沉水植物及其附生菌群砷吸收和转化的影响，揭示其驱动因子和调控机制。本项目对于全面认识沉水植物对砷的吸收代谢机制及其水质净化作用和生态修复功能，具有重要的理论价值和现实意义。

沉水植物因具备修复砷污染水体的潜力而备受关注，其水质净化功能很可能是沉水植物-附生菌群复合体系的作用。探讨附生菌群在沉水植物砷吸收与代谢中的作用与机理，对于深入认识沉水植物对砷污染水体的修复机制，揭示附生菌群在水生环境中砷迁移转化的作用与机理，具有十分重要的现实意义与理论价值。本项目研究内容包括：（1）太湖不同湖区沉水植物附生细菌群落结构及多样性研究；（2）探讨附生菌群对沉水植物砷吸收、转化和外排的影响及分子机制；（3）研究砷暴露对沉积物-水体-附生细菌复合体系中砷代谢基因丰度及多样性影响；（4）开展环境因素对沉水植物砷吸收和转化影响，揭示其驱动因子和调控机制。主要研究结果如下：.（1）研究发现除金鱼藻表现出一定的宿主特异性，狐尾藻、苦草和菹草附生细菌与宿主均不具有明显关系，且附生细菌群落结构在不同沉水植物之间的差异性不显著；湖区营养盐对沉水植物附生细菌多样性有一定关系，而湖区环境因素对附生细菌的alpha-多样性指数均不具有显著影响。本项目研究结果显示抽彩假说可以更好地解释沉水植物附生细菌群落的构建机制。.（2）黑藻附生菌群砷代谢基因丰富，可检测到arsC、arsM、aioAB等基因，能够同时介导五价砷还原和三价砷氧化。附生菌群可抑制黑藻对三价砷的吸收，但促进其对五价砷的吸收，同时附生菌群也可促进黑藻中砷的外排；在狐尾藻附生菌群只检测到arrA基因，其附生菌群可促进狐尾藻对五价砷的吸收和还原。.（3）砷的暴露胁迫可显著影响砷代谢基因在沉积物-水体-附生细菌复合体系中的分布和多样性。附生细菌与水体中砷代谢基因相似性较高，而与沉积物相差较远；同时发现arsC基因与16S rRNA系统发育具有不一致性，说明基因转移对复合体系中砷代谢基因分布与迁移具有重要影响。.（4）进一步的正交实验研究发现影响黑藻砷代谢的最直接因素为环境中砷的水平，高氮、中磷水平可促进植物对砷的吸收，而高氮、低磷有利于植物对砷酸盐的还原。