富營養(yǎng)化湖泊水-沉積物，有機物對17α-乙炔雌二醇降解啟動效應

題目：

Priming effect of autochthonous organic matter on enhanced degradation of 17α-ethynylestradiol in water-sediment system of one eutrophic lake

期刊：Water Research

影響因子：9.13

PMID：32726734  

一作者：白雷雷

通訊作者：江和龍研究員

作者單位：中國科學院南京地理與湖泊研究所

索萊寶合作產(chǎn)品：

2.細菌活性對OM輸入的反應

2.1胞外聚合物（EPS）產(chǎn)量

為了研究細菌代謝活性變化，作者對胞外聚合物產(chǎn)量進行研究。研究結果發(fā)現(xiàn)較高濃度的COM和MOM主要促進膠體EPS（C-EPS）的產(chǎn)生，而三種OM對結合EPS（B-EPS）分泌的影響更為相似（圖2）。此外，雖然在一個月時，內(nèi)源性OM對EPS產(chǎn)生的促進作用強于HA，但在孵育結束時，HA對胞外蛋白和多糖的分泌有顯著的促進作用。有效碳源也可以增加細菌數(shù)量，促進沉積物中EPS的分泌，導致總EPS濃度與OM中可生物降解濃度之間正相關。色氨酸和酪氨酸樣組分與第30天EPS中的蛋白質(zhì)濃度顯著正相關，多糖濃度與酪氨酸樣組分正相關。HA具有大的表面積和與EPS中的脂肪族、芳香族和羧基的強結合位點，因此它也可能通過結合增加EPS濃度。此外，HA的沉積物中胞外酶活性較低也有助于在培養(yǎng)過程中EPS的逐漸積累。

2.2胞外酶活性

接著為了比較水-沉積物系統(tǒng)中細菌群落的代謝活性，作者研究了5種胞外酶的活性。孵育30天后，1mg C g^-1的OM使UA活性從227.64增加到255.92-327.65U/g，顯著低于3mg C g^-1OM沉積物中的UA活性。第30天脲酶UA的活性依次為3C-G（COM at 3mg C g^-1）>3M-G（MOM at 3mg C g^-1）>3H-G（HA at 3mg C g^-1），但在孵育結束時，它們的活性接近。此外，盡管在第30天，3mg C g^-1的COM和MOM的促進作用明顯強于HA，但OM沉積物中終中性蛋白酶NPA活性之間未觀察到顯著差異（圖3b）。3mg C g^-1的原生有機物OM顯著增加二乙酸熒光素FDA活性（P<0.05），但終FDA活性在C-G（COM at 1mg C g^-1）、M-G（MOM at 1mg C g^-1）和H-G（HA at 1mg C g^-1）中相似（圖3c）。對于脫氫酶DHA，1mg C g^-1的COM比MOM更能增強DHA活性，而3M-G的DHA在孵化結束時活躍（圖3d）。此外，3mg C g^-1的HA對DHA活性沒有顯著影響。相關性表明，UA、FDA和DHA活性與第30天OM中的蛋白酪氨酸樣物質(zhì)顯著正相關。因此，內(nèi)源性有機質(zhì)的輸入對胞外酶活性的影響主要是暫時的，且與有機質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量有關。

COM和MOM改善的沉積物中UA活性較高，說明OM等原生沉積物中豐富的含氮化合物（如蛋白質(zhì)、多肽和氨基酸）是細菌的有效氮源，促進了沉積物中氮的循環(huán)。由于大多數(shù)沉積微生物可以產(chǎn)生蛋白酶來水解肽鍵，從而將多肽鏈中的氨基酸連接在一起，COM和MOM中類似蛋白質(zhì)的成分的存在也增加了NPA活性。但隨著有機質(zhì)的降解，添加的養(yǎng)分逐漸礦化，NPA活性降低。FDA的高活性也表明OM沉積物中有較強的微生物代謝活性。UA、NPA、FDA和DHA活性的增強表明，原生有機質(zhì)的存在創(chuàng)造了一個活躍的微生物群落，其中可能包括增強的EE2代謝。

3.細菌群落結構對OM輸入的反應

3.1細菌群落組成

后作者為了研究細菌群落的演化，利用高通量基因測序技術，從種群組成、結構和代謝基因等方面進行分析。高通量結果共產(chǎn)生307680個序列，并以97%的同一性分配給1588個OTU。根據(jù)qPCR分析，COM和MOM的存在更有利于細菌在第30天的生長，而長期暴露于HA也增加了生物量的生長。在2個月的培養(yǎng)期間，細菌群落組成的演變存在時間變異性。第30天，3C-G和3M-G的細菌群落與其它細菌群落有明顯區(qū)別，而3C-G和3M-G的細菌群落相互接近，終與C-G和M-G的細菌群落有所不同。這一結果突出了細菌群落組成對有機質(zhì)濃度的敏感性。

為了闡明特定菌群對OM數(shù)量和質(zhì)量的反應，確定了每個熒光OM組分的強度與細菌在類別和種屬水平上的相對豐度之間的Spearman相關性（圖4a和b）。

基于Spearman的OTU和熒光OM組分之間的相關性，進一步構建了共現(xiàn)網(wǎng)絡（圖4c和d）。正相關性占兩個網(wǎng)絡總相關性的一半以上。OTU之間的緊密相關性表明微生物在降解可生物降解有機質(zhì)組分時具有很強的種間相互作用。

蛋白質(zhì)類物質(zhì)與群落成員之間的關聯(lián)性更強，說明微生物在利用有機質(zhì)等原生物質(zhì)時比在腐殖酸降解過程中更傾向于共生和聚集。微生物之間的促進性相互作用可以協(xié)調(diào)微生物群落，以發(fā)展污染物降解的自發(fā)適應和代謝可塑性。因此，EE2降解的增強不僅與群落豐富度或物種豐富度的變化有關，而且與AOM沉積物中參與種間共營養(yǎng)合作的代謝途徑有關。

3.2細菌群落功能

由于代謝功能基因在OM 3mg C g^-1微環(huán)境中所占比例大，因此對其變化進行了進一步的研究（圖5）。其中碳水化合物代謝豐富，其次是氨基酸代謝、脂類代謝和外源生物降解代謝。輸入內(nèi)源性OM后，各組間差異有顯著性。

碳水化合物和氨基酸代謝途徑的增加表明，COM組和MOM組的碳周轉率和碳源利用率較高。此外，COM和MOM中的高分子量物質(zhì)也可能誘導參與脂質(zhì)代謝的功能基因顯著上調(diào)。因此，代謝的上調(diào)很大程度上依賴于不穩(wěn)定有機物成分的刺激。

與外源降解EE2相關的微生物個體的增加解釋了EE2降解速度加快。氨基酸、碳水化合物和外源代謝基因的同時增加也證實了EE2降解中出現(xiàn)的共代謝現(xiàn)象。

外源生物降解能力的顯著增加表明，類似OM的輸入在沉積物中不僅通過增加細菌群落的活性增加了EE2的降解，而且通過重塑細菌的功能基因增加了EE2的降解。

氣候變化和日益嚴重的富營養(yǎng)化預計將增加淡水湖泊原生有機物的生物產(chǎn)量。本文研究了某富營養(yǎng)化湖泊底泥系統(tǒng)原生有機物輸入對細菌群落及后續(xù)EE2降解能力的啟動效應。有機質(zhì)中可生物降解的組分也是細菌群落向富營養(yǎng)化狀態(tài)轉化的關鍵因素，促進了微生物間的相互作用，并導致有機碳和外源化合物代謝功能基因的上調(diào)。細菌群落活性、組成和功能的變化顯著促進了EE2的降解，藍藻為主的區(qū)域可能是富營養(yǎng)化淡水湖泊雌激素衰減的潛在熱點區(qū)域。

備注