沉水植物根系分泌物介导的沉积物微生物作用过程研究

Submerged macrophyte rehabilitation is one of the most important indicator for ecological restoration of polluted lakes. It usually takes decades of years for macrophyte re-colonization after the reduction of nutrient loading. Therefore, artificially supported measures are taken in many ecological engineering projects. Due to the undesirable sediment condition, successful root colonization and plant expansion are crucial for artificially supported recovery. Meanwhile, plant propagulum in the sediment are affected by long-time accumulation of surface sediment organic matter, which exaggerate the pressure for plant community revive after winter. Roots and rhizosphere bacteria interact through root exudates, this function mainly locate at root zone. Approximately 5-21% of total photosynthetically fixed carbon being transferred into the rhizosphere through root exudates, which is crucial for the activity of rhizosphere system. This proposal will center on root exudates, firstly design an equipment for exudates collection. Plant growth promoting rhizobacteria（PGPR） that can efficiently utilize root exudates will be separated to strengthen root colonization. The organic matter in the surface sediment would be mineralized through “priming effect” that induced by root exudates input, which will provide a more suitable sediment condition for germination of plant propagulum and stabilization of plant community.

沉水植被的恢复是受污染湖泊生态恢复的重要标志之一，其自然恢复通常在水体营养水平降低后数十年才得以实现，因而人工辅助的恢复方式在生态工程中被应用。由于受到湖泊底质条件的限制，沉水植物根系的成功定植和生物量的扩大，是人工恢复方式下需要解决的首要问题。同时，受污染湖泊表层沉积物有机质的长期积累，不利于沉水植物繁体萌发，加大了人工恢复植物越冬后的复苏压力。植物通过根系与沉积物微生物相互作用，这一作用集中表现在根际区域。植物将5%-21%光合作用固定的碳以根系分泌物的形式输出到根际，根系分泌物是保持根际微域生态系统活力的关键因素。本项目将以根系分泌物为核心，在解决沉水植物根系分泌物原位收集的基础上，筛选分泌物营养利用型根际促生菌，强化人工种植条件下沉水植物根系的定植生长；通过沉水植物根系分泌对沉积物“激发效应”的调节，促进表层沉积物有机质矿化，为植物繁殖体的萌发创造条件，实现稳定生长的植物复合群落。

沉水植物是维持浅水湖泊稳态和推动湖泊水环境演变的关键因素，沉水植物的恢复被视为水生态修复的关键环节之一。本研究建立了一种根际代谢物的收集装置，在不同沉积物有机质水平下，探讨了苦草根际代谢物、沉积物氮磷赋存形态及微生物群落结构三者之间的相互关系。筛选沉水植物根际促生菌（PGPR），利用PGPR促进沉水植物在高有机质沉积物中的恢复。主要研究结果如下：.1）建立了一种针对沉水生活型植物的原位循环收集根际代谢物的装置，通过气相色谱-质谱联用仪分析，共得到63种苦草根际代谢物。月桂酸、脯氨酸等15种化合物在植物生长早期较丰富，核糖、焦谷氨酸等7种化合物则相反。磷酸和对甲基苯酚等12种化合物在低有机质处理中含量较高，而葡萄糖醇和核糖等8种在高有机质下含量更丰富。2）苦草在低有机质水平下的苦草根和叶的生长得到促进，底泥中Fe/Al-P向Ca-P转化。高有机质底质胁迫下苦草生长受到明显抑制，底泥Inorg-N的组成发生变化。高有机质无机N的显著变化与乳酸，3-羟基丁酸和亚磷酸有关，低有机质无机P的转化与3-羟基癸酸和己二酸有关。3）对苦草不同生长阶段沉积物进行16S rDNA分析，有机质水平的高低对微生物群落结构的影响要大于根际/非根际区域和植物生长阶段。互营杆菌属、脱硫念珠菌属、亚硝化球菌属等通过与乳酸、3-羟基丁酸、亚磷酸、3-羟基癸酸和己二酸的有关代谢共同介导了沉积物无机氮磷的转化。4）在不同物种沉水植物根际，共筛选得到61株PGPR。通过对菌株溶磷、产吲哚乙酸、产细胞分裂素能力及1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶的测定，筛选出了8株促生潜力较好的PGPR接种苦草种子，各接种组株高较对照均有显著提高，其中PC2株高较对照增长了96%。5）在沉积物高有机质条件下，对苦草幼苗接种菌株PC2、H19、L3。PGPR接种对苦草幼苗的生长具有显著的促进作用，苦草生长指标增量与沉积物中Inorg-N、NO2-N、NO3-N、Inorg-P、Fe/Al-P等增量显著负相关，表明PGPR对沉积物中无机态N、P具有一定的控制作用。