沼泽化湖泊沉积物中纤维素的降解过程及机理

目前我国湖泊的沼泽化形势日趋严峻，一些湖泊已经开始面临消亡的危险，严重影响湖泊功能的发挥。水生植物残体中的纤维素是沼泽化湖泊沉积物中的重要部分，研究沼泽化湖泊沉积物中纤维素的降解过程及机理，有助于预测沼泽化湖泊沉积物淤积速率以及开发原位清除淤泥的修复技术。本项目提出通过利用微生物功能基因芯片技术研究沉积物中微生物群落结构和基因组成，来认知沼泽化湖泊沉积物中纤维素降解机理的一种新途径。项目以太湖的东太湖为研究对象，其主要内容包括沼泽化湖泊沉积物中的纤维素原位降解特征及其主要影响因素；分离直接利用纤维素的微生物菌种并分析其生理特性；应用功能基因芯片技术分析沉积物中微生物的功能基因组成，提出沉积物中纤维素降解全过程的微生物功能代谢模型。该项目在湖泊管理、沼泽化治理和生态恢复方面有重要的应用价值，同时对于认识湖泊中碳的循环规律和湖泊沉积物生态系统结构也有参考与指导意义。

在浅水湖泊生态系统，沉积物与水的体积比值高，因而沉积物中有机质矿化过程对营养物质循环的作用很大。以往的研究侧重于地球上寒冷地区的湖泊沉积物中有机物分解研究，而对于亚热带区域浅水湖泊沉积物的有机物分解研究很少。本研究从大型浅水淡水湖泊太湖中采集四个位点的沉积物样品，投加水生植物残体到沉积物中，在5个不同的温度（5-40℃）条件进行了实验。结果发现温度与沉积物中的死亡沉水植物矿化密切相关。在5℃下，沉积物中的有机碳总量的去除率为4.3％至22.6％，而在40℃时达到46.7-55.5％。在温度高于15℃时，纤维素基本上全部被分解。此外，有机物的去除效率取决于沉积物类型。对于位于湖中心的沉积物，难降解和易降解的碳分解对温度的变化具有同等的响应。对于沉水植被优势生长湖区（东太湖）中沉积物，死亡沉水植物矿化成腐殖质的比例比较低。因此，每年水生植物凋落到沉积物中，是有利于沉积物中有机碳的分解，而不是其腐殖化。. 在上述沉积物中，分离出了一株中温条件下利用纤维素的细菌Caulobacter FMC1。Caulobacteria对水生环境中主要功能是有机物质矿化。这株菌具有适应环境中氧化还原波动的能力，并可在好氧和厌氧情况下降解纤维素。在好氧和厌氧条件下的纤维素的降解比例分别为约27％和10％。无论是纤维素或纤维二糖都可以能够诱导产生内切葡聚糖酶，外切葡聚糖酶，和β-1,4-葡萄糖苷酶。有趣的是，乙醇是其厌氧培养下分解纤维素的主要发酵产物。以往的研究还没有确切发现有一种微生物菌种可以在好氧和厌氧条件下都能分解利用纤维素，本研究分离的Caulobacter sp. FMC1是目前世界上第一株报道的确实具有好氧和厌氧条件下都能利用纤维素的菌种，这对认识湖泊水体中纤维素的生物分解过程以及在生物质能源利用方面具有重要的科学意义。.