变化环境下洲滩湿地表层沉积物中典型PPCPs的微生物降解动态响应机制及污染生态效应研究

PPCPs is widespread in wetland surface sediments, and microbial degradation is the major way inside. The kinetics depends directly on the community of microbial biomass and enzyme activity, which strongly disturbed by the hydrology, climate and human activities. However, the mechanism of this process is unclear. So, based on pollution status of PPCPs and its characteristic in the sediments of Dongting Lake wetland, 4 typical PPCPs as subjects, with molecular ecology such as stable isotope probing, real-time PCR and kinetic model, the microbial degradation will be studied, with the objective to modeling the kinetic of environmental factors—wetland sediment microorganism—PPCPs degradation, and to clarify PPCPs ecotoxicological characteristics of the sediments microorganisms. The contents of the project are as follows: (1) Recognition of PPCPs metabolic pathways, degradation microorganism and key enzyme; (2) The impact of environmental factors on degradation microorganism, enzyme activity and their kinetic; (3) The impact of PPCPs on sediment microorganism, enzyme activity. This project research is very significant for further understanding the fate of PPCPs in wetland sediments and evaluating its ecological risk.

PPCPs在湿地表层沉积物中普遍存在。微生物降解是其在沉积物中的主要降解途径。其降解动力学直接取决于微生物群落生物量及酶活性，而这些因子则受到水文、气候及人类活动的影响，但此过程的机理尚不明确。针对此问题，本课题将基于洞庭湖洲滩湿地沉积物中的PPCPs污染现状，并结合洲滩湿地的特点，选取4种典型PPCPs，借助稳定同位素探针、定量 PCR等分子生态学技术与动力学模型对微生物降解过程进行分析研究。研究试图建立变化环境——湿地沉积物微生物——PPCPs微生物降解的动态响应模型并阐明残留PPCPs对微生物的反馈机制。主要研究内容包括：（1）PPCPs代谢途径、降解相关微生物及关键酶识别；（2）环境因子对PPCPs降解相关微生物、酶活性的影响及降解动力学；（3）PPCPs对沉积物微生物数量和酶活性的影响。研究对进一步探明PPCPs在湿地沉积物中归趋，评价其生态风险具有十分积极的意义。

药品和个人护理用品（pharmaceuticals and personal care products，PPCPs）使用量巨大且对生态环境和人类健康具有较大的风险。针对此问题，本课题基于洞庭湖洲滩湿地沉积物中的PPCPs污染现状，并结合洲滩湿地的特点对PPCPs污染来源、迁移、降解、环境残留、生态毒性及风险进行了研究。不同土壤环境和人工干预条件下抗生素降解、吸附规律的研究表明磺胺类抗生素降解常数和酶活及微生物量之间具有良好的相关性；对非甾体抗炎药在底泥中迁移行为的研究结果表明当入流液中含有碳纳米管时，非甾体抗炎药从底泥柱中的滤出量减少。当底泥柱中混合了碳纳米管时，非甾体抗炎药的突破曲线显著迟缓，而且非甾体抗炎药很难从含有碳纳米管的底泥中分离出来。通过研究不同人工干预条件对污染土壤的影响，发现生物炭和堆肥的介入显著增加了土壤微生物量碳、土壤细菌群落丰富度及多样性结果，铵态氮、硝态氮及水溶性有机碳是影响所修复的洞庭湖湿地土壤细菌群落结构的关键性因素。入湖泥沙粒径减小引起洞庭湖土壤微生物量及细菌群落多样性显著增加，而土壤结构是影响洞庭湖湿地土壤微生物量及细菌群落结构的最主要的因素。施入各土壤修复剂后，土壤中总有机碳（TOC）、水溶性有机碳（WEOC）、阳离子交换容量（CEC）和可利用磷的含量随着堆肥在生物炭和堆肥混合物中比例的增加而逐渐升高。此外，各修复剂降低了Cd和Zn的可交换态比例，二者的可交换态随着堆肥含量的增加而逐渐降低。但是含有堆肥的修复剂促进了土壤中Cu从Fe/Mn氧化态和残渣态向有机物结合态的转化。这些结果表明，生物炭和堆肥间不同比例对污染湿地土壤中的污染物的可利用性和形态分布具有显著的影响。