微塑料－新烟碱类农药在人工湿地的强化去除和迁移转化研究

Microplastic and neonicotinoid pesticides are frequently and extensively used in the world and have been widely detected in the environment which poses a potential threat to the ecological environment and human health. An effective and clean measurement for the remediation of microplastic-pesticides pollution is urgently needed. This project focuses on constructed wetland treatment techniques and takes advantage of the combination of iron biochar ceramiste and an integrated recirculating constructed wetland to establish a highly efficient and environmentally friendly constructed system. The removal routes and degradation mechanism of microplastic and neonicotinoid pesticides in iron biochar ceramsite integrated recirculating constructed wetland will be investigated according to the use of compound-specific stable isotope technic and molecular biology (including high-throughput sequencing and bioinformatics), so as to illustrate the influence of iron biochar ceramsite of the regulation migration and transformation mechanism of pesticides and microplastic in this system. These researches in the project may provide scientific theoretical support to promote and remediation of microplastic and pesticides pollution.

微塑料和新烟碱类农药作为新型污染物引起了全球广泛关注。微塑料—新烟碱类污染控制技术与机理研究对于保护水环境具有重要意义。本项目拟以人工湿地生态技术为核心，利用单体同位素结合分子生物学(包括高通量测序和生物信息学)等研究方法，研究微塑料－新烟碱类农药在人工湿地系统中的迁移转化，阐明在人工湿地中铁生物炭陶粒对微塑料和新烟碱类农药单一及复合污染的去除效率、关键去除途径、代谢转化路径及关键降解微生物和降解酶的影响，揭示铁生物炭陶粒作用下微塑料－新烟碱类农药在人工湿地系统的生物代谢机制，为发展新型有机污染物人工湿地的控制与修复技术提供理论和技术支持。

新烟碱类杀虫剂对水生态环境造成的威胁引起了全球高度关注。湿地具有良好的水质净化能力，湿地植物作为其重要组成部分，可以通过直接的吸收及降解转化去除有毒有机污染物。选取六种广泛检出的新烟碱类杀虫剂为研究对象，筛选对新烟碱类杀虫剂去除效果最好的湿地植物，从植物个体、生理及分子三个层次阐明湿地植物对新烟碱类杀虫剂的去除能力、代谢过程及分子机制，主要研究结果如下：.1）植物系统能有效去除新烟碱类杀虫剂，去除率为9.5~99.9%。与其他新烟碱类杀虫剂相比，吡虫啉、噻虫啉和啶虫脒更容易被去除。纸莎草和风车草对新烟碱类杀虫剂的吸收能力较强，去除效果最佳。新烟碱类杀虫剂在植物系统的主要去除途径是生物降解和植物积累。植物通过促进系统的生物降解提高新烟碱类杀虫剂的去除率。纸莎草和风车草可作为人工湿地去除新烟碱类杀虫剂的首选植物。.2）探讨了六种新烟碱类杀虫剂在纸莎草中的吸收、转化及其潜在机理。研究结果表明，纸莎草可以吸收、转运和降解新烟碱类杀虫剂。新烟碱类杀虫剂先在根部积累，随后转移到了茎叶。茎叶中代谢产物浓度高于根部。细胞色素P450酶、醛氧化酶、葡萄糖醛酸还原酶、谷胱甘肽还原酶参与了新烟碱类杀虫剂中间产物的产生。植物相对生长和氧化应激酶活性的响应表明植物对新烟碱类杀虫剂具有一定的耐受性。.3）通过转录组测序技术进一步揭示纸莎草降解新烟碱杀虫剂过程中相关代谢通路的变化。GO分子功能富集分析表明，纸莎草通过对细胞的氧化应激反应、氧化还原酶活性、DNA复制、细胞增殖、蛋白质合成、产能及能量传递能等基因的表达调控来响应新烟碱类杀虫剂的胁迫。对差异基因KEGG代谢通路分析结果显示，新烟碱类杀虫剂处理后，苯丙烷生物合成通路和谷胱甘肽代谢通路中相关酶的基因表达上调，增加次生代谢物的生成及谷胱甘肽的代谢和合成以抵御新烟碱类杀虫剂的氧化胁迫，植物激素信号转导通路中信号的转导可调控纸莎草对的细胞生长、增殖、抗病性来应对外来环境的胁迫。