典型沉水植物叶片衰败过程附着微生物群落演替特征及其对营养盐释放的影响机理

The decomposition and mineralization of organic matter during the senescence and decomposition of aquatic plants are the key component of nutrient cycling in aquatic ecosystems. How to better control the degradation of aquatic macrophyte (especially for submerged plant) in water column and secondary pollution due to its decomposition is important to improve aquatic ecosystem remediation. Up to date, more attentions were paid on nutrient release from aquatic plant decomposition processes, however, little is known about the role of periphyton in plants decomposition. .With the help of micro-analysis instrument such as laser total focused and electric microscope, and high-throughput sequencing technology and bioinformatics analysis, field research and indoor simulation experiment will be conducted to study the physiological and biochemical characterization of plant cell, nutrient release and distribution and shift of microbial communities (Protozoa, algae, fungi, and bacteria) attached on the surface of aquatic plant during the decay process, investigate the potential relationship among the microbial community structure, typical extracellular enzyme activity and the component of plant, explain the changes in microbial community structure and functional pathway by using metagenomic and metatranscriptomic technology, and further to uncover the effect of microbes on the nutrient release from aquatic plant decomposition. Study of the succession and function of microbial community during submersed plant decomposition at micro-scale will provide useful theoretical and technical support for the improvement of pollution removal and the ecological restoration efficient at a macro-scale level.

水生植物的衰老及其分解和矿化过程是水体营养循环的重要环节。如何控制水生植被（尤其是沉水植物）的退化及其衰败过程带来的二次污染是提高水生态系统修复效果的重要内容。当前研究较多地关注水生植物衰败过程营养盐的释放，而对其衰败过程中的分解者-微生物群落的动态变化与功能认识不足。.项目拟通过野外调研和室内模拟实验，借助激光共聚焦和电镜等微观分析及高通量测序技术和生物信息学手段，研究不同水质和水环境下沉水植物叶片衰败过程中叶片生理状态、营养盐释放及表面微生物群落（原生动物、藻类、真菌和细菌）的变化规律，探讨植物叶片物质组成特性与微生物群落结构和胞外酶活性间的潜在关系，从宏基因组和转录组水平上阐明典型植物腐败过程微生物群落结构及生物代谢途径的变化特征，初步揭示微生物对植物腐败过程的影响机制。从微尺度上探讨多种环境下沉水植物衰败过程中微生物群落演替和功能变化规律，为提高水生态修复效果提供理论基础和服务。

沉水植物生长在水面以下，容易集中生长形成“水下森林”，具有重要生态功能。沉水植物衰败引起的水体污染不容忽视，如何控制沉水植物的退化及其衰败过程带来的二次污染是提高水生态系统修复效果的重要内容。当前研究较多地关注水生植物衰败过程营养盐的释放，而对其衰败过程中的分解者-微生物群落的动态变化与功能认识不足。本研究通过野外调研及实验研究了自然条件、高氨氮、生活污水处理厂排水、曝气扰动、不同基质等条件下沉水植物（苦草、轮叶黑藻、金鱼藻、狐尾藻和眼子菜等）衰败腐解对水体水质、水环境指标，以及植物残体、水体和沉积物内微生物群落结构变化的影响，剖析了外界条件、植物营养盐和微生物群落结构的变化规律。主要结论如下：高氨氮能够刺激蓝藻等微生物、抑制消费者（如后生动物），导致沉水植物表面生物膜疯长；氨氮毒性和生物膜生长是导致沉水植物消退和衰败的主要因素之一。模拟污水处理厂出水对沉水植物的影响发现，高COD和氨氮导致水体缺氧、异养微生物增加，进而抑制沉水植物光合作用及碳水化合物累积，导致沉水植物衰败。以模拟的高密度沉水植物区内的轮叶黑藻为对象，研究了曝气充氧对植物衰败过程、营养盐释放和群落结构的影响，发现曝气能有效提高水体溶解氧含量、氧化还原电位，促进植物体内碳氮磷的释放以及水体内溶解性碳氮磷等物质的去除，刺激碱性磷酸酶，纤维素酶和蔗糖酶的活性，但是对生物膜内细菌和真核微生物群落结构的影响不大。多种场景下的关联分析结果表明，植物残体生物膜内的微生物对不同水质有不同的反应，部分属与上覆水参数和植物参数呈正相关；大多数细菌属来自Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes等门，具有降解蛋白质、脂质、碳水化合物、纤维素和木质素的能力。部分细菌属（Treponema、Blvii28、Bacteroid等）与两种处理中的生物膜的酶活性呈正相关。这些结果对于理解不同环境下植物腐败过程及微生物作用机制提供了依据。依托该项目，共发表学术论文17篇，包括SCI论文12篇，申请专利5项，获得省部级奖励2项。