阿特拉津对凤眼莲及水体微生物多样性特征影响研究

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阿特拉津(Atrazine,ATZ)是一种常用的三嗪类除草剂,在土壤中的持效期长,难以生物降解,易溶于有机溶剂,在水中的溶解度也较高。水体中的阿特拉津不仅会对水生植物和藻类光合作用产生抑制,还会对水生动物的繁殖、内分泌等产生危害。凤眼莲(Eichhornia crassipes)又称水葫芦(water hyacinth),是一种生长速度快、适应能力强且对水体中有机污染物具有极强修复能力的净水植物,被广泛应用于各种污水处理。本文以凤眼莲为研究对象,探究在不同浓度(0、40、120、600μg/L)阿特拉津条件下,凤眼莲对阿特拉津的去除和响应,以及修复过程中对水体微生物多样性的影响。主要研究结果如下:
  (1)凤眼莲对水体中阿特拉津的去除能力结果如下:①阿特拉津浓度为40μg/L时,第20天水体中的阿特拉津去除率在27umol·m2/s和81umol·m2/s光照条件下分别为66.8%和44.7%。②阿特拉津浓度为120μg/L时,第20天水体中的阿特拉津去除率在光照为27umol·m2/s、81umol·m2/s和室外条件下分别为22.7%、34.8%和35.9%。凤眼莲的贡献率分别为9.7%、4.9%和3.4%。③在植物体中共检测到3种阿特拉津代谢产物,分别为羟基阿特拉津(Hydroxyatrazine,HA)、去异丙基阿特拉津(Didealkylatrazine,DDA)、缩二脲(Biuret , Biu )。阿特拉津浓度为40μg/L时,第20天凤眼莲体内ATZ>HA>DDA>Biu;120μg/L时,凤眼莲体内ATZ>DDA>HA>Biu,且在第10天凤眼莲茎叶中阿特拉津及其代谢产物的浓度高于根系,第20天则相反;阿特拉津浓度为600μg/L时,第20天植株几乎完全死亡,所以未能检测。
  (2)阿特拉津对凤眼莲生理影响结果显示:①阿特拉津浓度为40μg/L时凤眼莲叶片的最大荧光效率(Fv/Fm)、实际荧光效率(Fv/Fm)和电子传递速率(ETR)在20天内与对照组无显著性差异(P>0.05);120μg/L时,Fv/Fm和ETR与对照组无显著差异,Fv/Fm在第5天开始持续降低,第20天为0.4;600μg/L时,Fv/Fm在第0天开始持续降低,第20天为0.2,Fv/Fm和ETR在第5天开始持续降低,第20天时分别为0.2和3。②阿特拉津浓度为40μg/L时,凤眼莲叶片中的过氧化物酶(POD)含量在20天内波动性较大;阿特拉津浓度为120μg/L时,凤眼莲叶片中的POD先快速升高然后降低;在第20天时,600μg/L处理组的凤眼莲几乎完全死亡,其它处理组POD都低于对照组。③阿特拉津浓度为0、40、120μg/L时,凤眼莲体内丙二醛(MDA)的含量都在前5天迅速升高,5-10天迅速降低之后趋于平稳;仅在第5天时各处理组MDA的含量差异显著(p<0.05),并随着阿特拉津浓度的升高,凤眼莲叶片中MDA的含量逐渐降低。
  (3)阿特拉津对凤眼莲根系转录和代谢影响结果如下:①40μg/L和120μg/L处理组的基因表达量相关性最高,40μg/L处理组与对照组(0μg/L)的代谢物组成最相似。②对差异表达基因进行GO富集分析,随着阿特拉津浓度增高,电子传递活性和抗氧化活性富集的差异表达基因也越多。③对差异表达基因进行KEGG通路富集分析,120μg/Lvs0μg/L中“谷胱甘肽代谢”和“柠檬酸循环”相关的差异表达基因富集显著性比40μg/Lvs0μg/L高。
  (4)水体中的细菌和真菌多样性变化结果如下:①阿特拉津浓度为0μg/L时,优势细菌为Bacteroidia,且随着阿特拉津浓度的升高Bacteroidia丰度显著降低;阿特拉津浓度为120μg/L、600μg/L时优势真菌是Ascomycota,且随着阿特拉津浓度的升高其丰度也在明显升高。②阿特拉津为120μg/L(无凤眼莲)时,优势真菌为Basidiomycota,其丰度是120μg/L(有凤眼莲)处理组的三倍,但和0μg/L(有凤眼莲)处理组的丰度无显著差异,表明凤眼莲会和阿特拉津相互作用从而抑制水体中Basidiomycota的丰度;
  综上所述,随着阿特拉津浓度的升高,对凤眼莲的生理影响愈加显著,凤眼莲对其的去除贡献率也逐渐降低。但凤眼莲能够调节转录和代谢过程从而对阿特拉津的胁迫产生响应。因此凤眼莲对低浓度阿特拉津的修复具有可行性。
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