湿地植物对典型抗生素的差异性富集规律和吸收机理研究

Due to the extensive use of antibiotics in the medical industry and livestock, its environmental residues and related antibiotic resistance genes pose a major threat to human health and ecological environment. Constructed wetlands are widely used as decentralized wastewater treatments. Previous studies have proved that constructed wetlands own the potential to remove antibiotics effectively. However, most of the previous studies focus on the removal efficiencies and removal pathways of antibiotics by constructed wetlands, the function of wetland plants is still not clear. Hence, it is necessary to strengthen the research of antibiotics accumulation regularity and uptake mechanisms by wetland plants. The purposes of present research are to investigate the differential accumulation of antibiotics by different wetland plants, and to study the mechanism of wetland plant uptake of antibiotics by means of multidisciplinary approaches such as environmental science, molecular biology and botany.First of all, The present study tries to reveal the differential enrichment of antibiotics by wetland plants through hydroponic experiments; and then tries to reveal the absorption and migration process of antibiotics in wetland plants, based on quantifying the contribution amounts of active transport and passive transport, as well as visualizing the contribution amounts of apoplastic transport process and symplastic transport process, and also analyzing the possible metabolites and response mechanism of biomacromolecule in wetland plants.The type of wetland plant with the strongest enrichment ability of antibiotics will be screened out, which provided scientific basis data for design parameters of constructed wetlands for the purpose of effectively and efficiently antibiotics removal.

由于抗生素的大量使用，其环境残留和相关耐药性对人体健康和生态环境产生重大威胁。人工湿地广泛应用于分散型污水处理，已有研究表明其具有高效去除抗生素的潜力。目前研究集中在已有人工湿地对抗生素的去除效率和途径上，对湿地植物的作用仍不清楚，有必要加强湿地植物对抗生素的富集规律和机理研究。本研究拟考察不同种类湿地植物对抗生素的差异性富集规律，利用环境科学、分子生物学和植物学等多学科手段相结合研究植物对抗生素的吸收机理。首先，以典型抗生素为研究对象，通过水培实验揭示湿地植物对抗生素的富集差异；然后，通过量化主动和被动运输对抗生素吸收的贡献量，可视化抗生素在植物体内的质外体和共质体运输过程，同时分析抗生素在植物体内可能的代谢产物以及大分子响应机制，揭示湿地植物体内抗生素的吸收和运移过程。最终筛选出对抗生素具有强富集能力的湿地植物，为利用人工湿地稳定高效地去除含抗生素污水进行针对性设计提供科学依据。

近年来，抗生素的环境残留和相关耐药性造成的环境污染问题引起了广泛关注。植物修复可用于各种污染物的无害化处理，包括重金属、类金属和放射性污染物等无机污染物和石油烃、多环芳烃、杀虫剂、多氯联苯以及抗生素等有机污染物。但是，现阶段关于湿地植物对抗生素的富集机制及代谢规律研究十分薄弱。另外，考虑到植物种类的选择是污染修复成功的关键因素之一，选择合适的湿地植物进行磺胺类抗生素污染废水处理至关重要。因此，本研究（1）建立了植物组织中多种抗生素物质痕量水平的分析监测方法，为植物对典型抗生素的差异性富集规律和吸收机理研究奠定了基础。（2）筛选出具有强富集磺胺类抗生素的湿地植物--纸莎草，通过质量平衡分析证明根际生物降解（90.2%~92.2%）主导了磺胺类抗生素的植物修复过程，水解和植物吸收只占较小的比例；且目标磺胺类药物在水培体系中的消减呈逐步下降趋势，并遵循一级反应动力学模型；在植物样品中检测到10种目标磺胺类抗生素中的6种，表明在多种磺胺类抗生素共存的条件下，植物的吸收是具有选择性的。磺胺类抗生素在植物不同组织中的分布特征（浓度和吸收量）遵循根>茎>叶的顺序。（3）揭示了在持续受到磺胺类抗生素胁迫时，纸莎草对目标抗生素的吸收过程呈现先迅速升高（吸收期），后缓慢降低至稳定的过程（稳定期），其的根部和地上部分组织中抗生素浓度可在6到9天左右达到峰值。在持续受到磺胺类抗生素胁迫的前提下，湿地植物对目标抗生素的吸收过程分吸收期和稳定期，吸收期符合零级动力学模型，稳定期符合一级动力学模型；若胁迫消除，植物对目标抗生素具有一定的净化能力，其过程符合一级动力学模型。（4）证明了金属污染（Cu2+）是影响湿地植物生长的主要因素；且重金属（Cu2+）对湿地植物吸收抗生素的影响程度要高于溶解性有机质，随着重金属浓度的升高影响越来越大，致使湿地植物吸收抗生素的能力越来越弱，这可能与重金属影响植物生长相关。