稻田藻-菌生物膜中胞外聚合物对水体营养水平变化的响应机制

Algae-bacteria biofilm is ubiqutious in paddy fields and functions well in reducing the non-point source pollution discharge. In the algae-bacteria biofilm, Extracellular Polymeric Substances (EPS) play key roles in biofilm formation, the inner micromechanism changes, the enrichment and removal of typical pollutants including heavy metals and nutrients from paddy fields. However, it is still not clear how the EPS production and compositions of algae-bacteria biofilm response to nutrient form and concentration changes in paddy fields and the consequent effects of EPS changes on the ecological functions of algae-bacteria biofilm. To answer this question, in this study we will enrich and culture algal biofilms in paddy fields at various trophic levels. Then, the dominant microalgae and bacteria species will be isolated and purified for further controlled laboratory experiments. We will set up experiments by making artificial wastewaters with different nutrient forms and concentrations and using PAM, SEM, NGS and GC/MS to investigate the primary productivity, EPS production and compoistion, micromechanism and the enrichment and removal capacity of typical pollutants by single microalga, bacteria species and the algae-bacteria biofilms. The results from this study will naturally answer the question proposed above in a decent and adequate way. Meanwhile, this study can give theory supports to nutrient regulation and pollutants removal in paddy fields from the perspective of algae-bacteria biofilm at the interface of soil and water.

现有研究表明藻-菌生物膜在稻田中广泛存在，并在减少农业面源污染排放中有较高的效率，其中胞外聚合物（EPS）在生物膜形成、内部微观结构变化、稻田典型污染物（重金属、氮磷营养盐等）富集与去除方面发挥着重要作用。然而，稻田藻-菌生物膜中EPS的产生对水体营养盐形态及浓度变化的响应及其对生物膜生态功能的影响尚不清楚。为解答这一科学问题，本研究将在不同营养水平的稻田内富集和培育藻-菌生物膜，分离、纯化优势物种（微藻和细菌）并进行实验室控制条件下的培养实验。运用PAM、SEM、NGS、GC/MS等分析技术，着重研究不同营养盐形态及浓度下，单一微藻、细菌及藻-菌生物膜的初级生产力、EPS产生特征、生物膜内部微观结构、对常见污染物的富集与去除功能。研究结果将充分、合理地从本质上解释以上提出的科学问题，同时从土-水界面藻-菌生物膜的角度为稻田养分调控及典型污染物去除提供理论支撑。

藻-菌生物膜广泛生长在稻田土-水界面下，并影响着养分在土、水间的迁移与转化，其中胞外聚合物（EPS）在藻-菌生物膜形成、对抗外界胁迫及污染物去除等方面发挥着关键作用。然而，稻田藻-菌生物膜中EPS的产生对养分生物可利用性变化、污染物胁迫的响应及其对藻-菌生物膜生态功能的影响尚不清楚。本项目的研究目标与内容为：不同营养水平下稻田藻-菌生物膜的群落结构、EPS产生特征及氮磷富集能力；不同污染物胁迫下藻-菌生物膜的EPS响应过程与保护机制；优化藻-菌生物膜群落结构、EPS组成以减少稻田养分损失。经过3年的努力，本项目已顺利完成既定的研究目标，在论文发表、专利申请、人才培养方面均达到了预期目标，取得的主要研究进展如下：（1）基于项目组已有研究基础，在水稻分蘖期采集我国东部主要稻区的藻-菌生物膜、水样、土样，解析了藻-菌生物膜群落结构、EPS组成、氮磷固持量、田面水氮磷浓度与土壤碳氮磷计量特征之间的关系，发现土壤有机质是影响藻-菌生物膜群落结构、EPS产量及生态功能的主要因素之一；（2）室内模拟实验发现添加低浓度有机物(<50 mg/L)时，藻、菌间协同关系增强，生物量及氮磷富集效率增加明显，印证了稻田土壤有机质影响藻-菌生物膜多样性、养分固持能力方面的结果；（3）发现污染物胁迫下，藻-菌生物膜EPS中蛋白质含量显著增加，胞外蛋白质是保护生物膜中藻、菌细胞免受金属等污染物毒害的关键成分，而其主要通过核酸中的磷酸官能团进行络合等降低污染物毒性；（4）构建了通过人工装配的方式优化藻-菌生物膜群落结构及EPS组成以调控稻田养分转化、减少稻田养分损失的技术方法；（5）已发表相关学术论文8篇，其中7篇为SCI，申请发明专利1项。上述成果将合理、有效地从土-水界面微生物过程调控的角度为稻田养分转化及典型污染物去除提供理论与技术支撑。