富营养化水体中沉水植物根际多环芳烃的微生物降解机制

Sediment is an important sink for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Eutrophication can enhance the pollution and environmental risk of PAHs in the sediment. Microorganisms are the important driving force in PAH dissipation. Submerged macrophytes are important aquatic plants in shallow water bodies. Microbial degradation of organic contaminants in the rhizosphere of submerged macrophytes plays an important role in their dissipation. However, the mechanisms have been not clear so far. In this project, in-situ samples of rhizosphere and non-rhziosphere will be collected from submerged laminar rhizobox consisted of three vertical sections. Techniques related to in-situ micro-electrode monitoring, molecular biology and modern analytical apparatus are going to be used. Studies of the effects of plant species and environmental factors on the dissapition of PAHs in the rhizosphere of submerged macrophytes are going to be carried out on the following aspects: monitoring the gradient of typical physicochemical parameters (Eh, pH, et al.), microbial ecology in the rhizosphere and PAHs and their metabolites in the rhizosphere; collecting the root exudates and analyzing the variation of their amounts and components in the rhizosphere. Accordingly, analyzing relationships among root behavoirs (root exudate release and root oxygen release), microorganisms and PAH degradation by mathematic methods, discussing the main factors controlling the dissapition of the pollutants in the rhizosphere as well as molecular weight effects, and finding out the mechanisms. The results can provide scientific basis for in-situ remediation of PAH polluted sediments by submerged macrophytes.

沉积物是多环芳烃（PAHs）重要的汇，而富营养化会加剧沉积物中PAHs的污染和环境风险。微生物是 PAHs消减的重要驱动者。作为浅水水体中主要的水生植物类型，沉水植物根际微生物降解对沉积物中有机污染物的消减起重要作用，但是相关内容及其机制的研究十分薄弱。本项目采用浸没式多隔层三室根箱获得原位根际和非根际沉积物样品，利用微电极原位监测技术、分子生物学技术以及多种现代分析仪器，从植物种类和环境因素的角度，考察根际环境中特征理化参数(Eh、pH等)、微生物群落结构、PAHs及其代谢产物含量的梯度变化特征；采集根系分泌物，考察其数量和组成在根际环境中的变化特征；利用数学手段，分析沉水植物根系行为(根系分泌物、根系释氧)-微生物-PAHs降解之间的关系，探明影响根际PAHs降解的主控因素及分子量效应，揭示作用机制。研究结果可为利用沉水植物原位修复受PAHs污染的沉积物提供科学依据。

富营养化水体沉积物中有机物污染的修复是世界范围内亟待解决的环境问题，多环芳烃（PAHs）是沉积物中典型污染物。本项目结合盆栽法和浸没式多隔层三室根箱法，利用微电极原位监测技术、分子生物学技术以及多种现代分析仪器，系统研究了沉水植物根际PAHs的降解作用与机制，取得了主要成果如下：（1）研制了适合沉水植物根际模拟的浸没式多隔层三室根箱，并获批专利；（2）建立了重要中间代谢产物1-羟基芘在沉积物中的分析方法，加标回收率显著高于文献值；（3）研究了植物种类、种植密度、PAHs浓度以及沉积物理化性质对沉水植物根际PAHs降解的影响，发现植物生长状况显著影响修复效果；根系越发达，修复效果越显著，这主要与根系泌氧作用密切相关，可以作为选择修复植物的标准；（4）传统培养法、PLFA、PCR-DGGE和酶活分析结果显示，沉水植物显著提高沉积物中降解菌的数量和活性；改变了微生物的群落结构，且不同植物的种间差异显著；（5）解吸-微生物降解耦合模型定量分析发现，沉水植物加速根际PAHs降解的主要原因是提高了微生物的降解活性，而不是生物有效性；相比新鲜染毒沉积物，老化沉积物中PAHs降解率的增幅更大，其原因既包括生物有效性的提高，也包括降解活性的提高，两者同等重要；（6）通过野外试验初步证实，利用沉水植物原位修复受PAHs污染的沉积物具有可行性。研究成果可以为沉水植物根际原位修复受有机物污染沉积物提供技术支持。