丛枝菌根真菌提高人工湿地重金属净化功能的机制研究

Heavy metal (HM) pollution of water system in China is very serious, which pose huge risks to human health and environment. As a low-cost wastewater treatment facility, constructed wetland (CW) has been widely utilized in decontamination of industry and agricultural wastewater. As an important component of CW, plants play a significant role in absorption and accumulation of HMs. Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi extensively distribute in the wetland habitat and form mutualistic symbiotic associations with the roots of most plants, which play an important role in improving the growth and stress-resistance of plants, and have huge potential in enhancing decontamination effect and improving system stability of CW, however, the ecological functions of AM fungi in CW are not clear. Therefore, in this project, we will combine the advantages of AM fungi, hydrophyte and CW to conduct the study of decontamination effect of this modified CW system, in addition, we will also discuss the mechanisms of AM fungi improving the decontamination of HMs-polluted water in CW, in the aspects of plant physiology and biochemistry, ultrastructure localization of HMs in AM, and the HMs related gene expressions altered by AM fungi. The final goal of this project is to provide theoretical basis for enhancing the decontamination effect and the successful application in environment remediation field of CW.

我国水体重金属污染形势十分严峻，时刻威胁着生态环境和人体健康。人工湿地作为一种低成本的水处理设施，已被广泛应用于工业和农业废水的处理。植物作为人工湿地系统的重要组成成分，在吸收和富集重金属等有毒物质方面发挥着重要作用。丛枝菌根（AM）真菌广泛分布于湿地生境，能与大部分湿地植物根系共生形成菌根结构，能有效促进植物的生长和抗逆性能，在增强人工湿地去污效果和提高系统稳定性等方面具有巨大的应用潜力，但是AM真菌对人工湿地植物重金属净化功能及作用机制尚不明确。因此，本项目拟将AM真菌、水生植物和典型垂直流人工湿地这三种优势结合，研究该人工湿地系统对重金属污水的净化效能，并从植物的生理生化、重金属相关基因表达和重金属在菌根结构中的定位等方面直接和间接地阐明AM真菌提高人工湿地重金属净化功能的机制，为增强人工湿地对污染环境的净化效能及其在环境修复领域的成功应用提供理论基础。

在过去的30年里，湿地生境中的丛枝菌根真菌日益引起大家的关注，但是它们在湿地中的分布和功能尚待深入研究。利用Illumina测序技术，本项目调查了湖北省3个重金属污染天然湿地芦苇根系的丛枝菌根真菌群落的分布。为了研究丛枝菌根真菌在基于植物修复的废水处理装置中的定殖及功能，本项目建立了2个垂直流人工湿地并利用Illumina测序技术对其中的植物根系的丛枝菌根真菌进行了调查，并研究丛枝菌根真菌提高人工湿地净化重金属污染废水的机理。. 在3个天然重金属污染湿地芦苇根系共得到235213条丛枝菌根真菌的序列和258个OTUs，分别属于Glomeraceae科、Paraglomeraceae科、Claroideoglomeraceae科、Ambisporaceae科、Archaeosporaceae科和Diversisporaceae科，其中Glomeraceae科和Paraglomeraceae科丛枝菌根真菌为第一和第二优势菌。重金属污染湿地芦苇根系内的丛枝菌根真菌多样性高于大部分已知的陆地生境。. 在2个人工湿地中芦苇根系共得到33031条丛枝菌根真菌序列和17个OTUs，其中Glomus是优势菌，多样性与陆地生境相当。移植了菌根化芦苇的人工湿地（CW2）和移植非菌根化芦苇的人工湿地（CW1）的丛枝菌根真菌的组成显著不同，CW1(15 OTUs)中芦苇根系丛枝菌根真菌的多样性高于CW2(7 OTUs)，而CW2比CW1含有更多的OTU13（接种的丛枝菌根真菌）。. 2个人工湿地对重金属的去除能力都很高（>70%），CW2对Cd（p = 0.005）和Zn（p = 0.008）的去除率显著高于CW1。CW2中芦苇生物量、重金属相关的酶含量和根系特征高于CW1，在芦苇根系内丛枝菌根真菌的菌丝中发现了重金属的富集，因此丛枝菌根真菌在提高人工湿地净化重金属废水方面发挥着一定的作用，可能机制是丛枝菌根真菌促进植物的生长并在菌丝内富集重金属。