典型湿地植物修复高氯酸盐的根际生态化学机理

Perchlorate is a widespread contaminant and can disturb thyroid function in human body at trace level. Perchlorate in water is resistant to biotransformation under aerobic conditions for lacking proper carbon sources and electron donor. Wetland plant was considered to be a cheap and effective technology for perchlorate removal from water. Some methods such as field experiment, artificial soil column, microcosm combined with small-scale constructed wetland and isotopic tracing technique will be adopt to investigate the distributions, transformation and degradation of perchlorate in Canna indica L. constructed wetland (CCW). The objectives we need to make clear respectively are revealing the effectiveness mechanism of phytoaccumulation, phytodegradation, and rhizodegradation in perchlorate removal, explicating the ecological chemistry pathway of perchlorate degradation in CCW. Furthermore, the effect of root exudates and rhizospheric microenviromental factors on perchlorate degradation in CCW will be analyze. Meanwhile, some molecular biology techniques such as RT-PCR, 16S rDNA high-throughout sequencing, and metagenomics will be used to analyse the dynamic characteristic of perchlorate degradation microbe in CCW. These studies can help us to understand the coupling mechanism of the root growth and rhizospheric microoganism in the process of phytoremediation on perchlorate, and reveal its rhizosphere regulatory mechanism. The results can not only enrich perchlorate cological restoration theory, but also enhance perchlorate removal process in wetland.

研究表明环境中普遍存在着高氯酸盐，痕量即可干扰人体甲状腺正常功能，水体中的高氯酸盐因缺乏合适的碳源和电子供体而很难衰减，湿地植物有望成为修复水体高氯酸盐污染的廉价有效手段。本项目采用野外定点试验、人工土柱、微宇宙和小型人工湿地相结合的方法和同位素示踪的技术手段研究美人蕉湿地系统中高氯酸盐沿程的迁移、转化和分布特征，阐明植物吸收、植物降解和微生物降解在高氯酸盐去除中的作用机理，明确湿地系统中高氯酸盐降解的微观生态化学途径；分析植物根系分泌物和根际微环境因素对湿地系统去除高氯酸盐的影响，并运用RT-PCR、16S rDNA高通量测序与宏基因组学等分子生物学技术，剖析湿地植物根际高氯酸盐降解微生物功能群的动态特征，揭示植物修复高氯酸盐过程中植物根生长与根际微生物作用的耦合机制，明确湿地植物修复高氯酸盐的根际调控机理。研究成果可丰富高氯酸盐生态修复理论，为提高湿地净化高氯酸盐的能力提供科学依据。

环境中普遍存在着的高氯酸盐痕量即可干扰人体甲状腺正常功能，但因其高水溶性、非挥发性、低吸附性和高稳定性等特点使得它在水体中难以降解而持久存在，湿地植物修复是经济有效的治理途径。本项目采用野外定点监测、人工土柱、微宇宙和小型人工湿地相结合的方法研究了美人蕉湿地系统中高氯酸盐沿程的迁移、转化和分布特征，结果证明环境中高氯酸盐的归趋为植物吸收、植物降解和微生物降解，其中自然条件下以微生物降解为主，植物吸收和降解的占比小于10%，美人蕉各器官积累高氯酸盐的量从大到小依次为叶>地上茎>花穗或根状茎>根，同时监测到了美人蕉体内的部分高氯酸盐可以转化为氯酸盐和次氯酸盐，最终代谢为氯离子。美人蕉根系分泌物可给高氯酸盐降解菌提供一定的电子供体和碳源，研究发现2、40、200、500mg/L的高氯酸盐可使美人蕉根系分泌物中氨基酸和可溶性有机碳含量增加13.50、50.32、67.73、227.11%和67.63、134.67、168.93、303.49%。但降低了乙酸、丙酸、柠檬酸、苯丙酮酸、2-酮丁酸和茉莉酸等有机酸的分泌。项目全面探讨了根际有机碳含量、水体硝态氮、氯离子和硫酸根含量以及水体pH、Eh、DO与植物蒸腾等因素对高氯酸盐降解的影响，结果表明增加根际有机碳含量和降低水体硝态氮含量均可明显降低美人蕉吸收积累且增加微生物降解高氯酸盐的比例，植物强蒸腾也可促进植物吸收积累高氯酸盐，另外自然水体中的高氯酸盐去除与pH呈正相关，与Eh和DO均呈负相关，氯离子和硫酸根的存在则不会对高氯酸盐的降解产生明显影响。相较于无植物的对照，湿地植物的存在可明显提高湿地生态系统中微生物群落的物种丰富度和多样性。本研究可为应用湿地植物高效修复水体高氯酸盐污染提供理论依据和技术途径。