在過去的幾十年中，氣候變化和日益嚴重的富營養化增加了淡水湖泊中藍藻的發生和大型植物的過度生長。在藍藻和大型植物生長和衰變過程中產生的原生有機物（AOM）顯著改變了沉積物中有機質的濃度和組成。AOM改變了微生物群落組成和代謝功能。天然有機物（OM）是氨基酸、蛋白質、碳水化合物和腐殖酸（HA）等復雜有機物的混合物，是異養細菌重要的碳和能量來源。雌激素被不同微生物降解是沉積物中雌激素活性不可逆衰減的重要機制。然而，先前涉及有機物（OM）對雌激素降解影響的研究大多使用單一易降解或難降解的末端成員，例如葡萄糖、蛋白胨和腐植酸，而這些化合物在AOM中的濃度都不同，造成將現有成果轉化為湖泊沉積系統的困難。AOM的增加如何通過調節細菌群落的代謝網絡（如代謝活動、種間相互作用和功能基因）來影響雌激素的衰減仍然是一個問題。
為明確評價AOM投加量的增加對沉積物中雌激素降解的影響，以太湖的天然沉積物為研究對象，進行了為期2個月的水-沉積物微觀研究。生物活性的雌激素EE2被選為目標污染物。以太湖新鮮藍藻和水生植物源有機質（COM和MOM）為自生有機質。*測定了有機質的含量和質量對EE2降解的影響。然后，從胞外酶活性和胞外聚合物（EPS）產量兩個方面研究了細菌代謝活性的變化。此外，利用高通量基因測序技術，從種群組成、結構和代謝基因等方面系統地描述了原生細菌群落的演化。這項研究的結果將在日益富營養化和進一步的氣候變化下，為雌激素在地表水中的命運和毒性提供一個更深入的了解。
基本信息
題目：
Priming effect of autochthonous organic matter on enhanced degradation of 17α-ethynylestradiol in water-sediment system of one eutrophic lake
期刊：Water Research
影響因子：9.13
PMID：32726734
一作者：白雷雷
通訊作者：江和龍研究員
作者單位：中國科學院南京地理與湖泊研究所
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研究背景和摘要
氣候變化和日益嚴重的富營養化預計將增加沉積物中原生有機物（AOM）的釋放，其中藍藻和大型植物生長和衰變過程中產生的AOM顯著改變了沉積物中有機質的濃度和組成。于是作者為了探討藍藻和大型植物源有機質（COM和MOM）對富營養化太湖沉積物中17α-乙炔雌二醇（EE2）降解的影響，進行了為期2個月的水-沉積物微觀研究。從有機質的含量和質量兩個方面研究對EE2降解的影響。其次從胞外酶活性和胞外聚合物（EPS）產量兩個方面研究了細菌代謝活性的變化。并且利用高通量基因測序技術，從種群組成、結構和代謝基因等方面系統地描述了原生細菌群落的演化。結果表明COM和MOM對EE2降解的促進作用均強于腐殖酸，且降解效率與沉積物中有機碳增加的共代謝性顯著正相關。COM和MOM中的可生物降解成分的分解顯著增強了胞外酶的活性，以及增加胞外聚合物中蛋白質和多糖產量。同時，細菌群落結構向富營養化方向發展，導致有機碳和外源物質代謝功能基因明顯上調。基于相關的網絡分析進一步確定了群落成員之間的強促進協調性和代謝中有機質的成分變異性。
研究內容及結果
1.EE2在水-沉積物系統中的降解
為了解EE2在水-沉積物系統中的降解，作者通過建立水-沉積物微觀結構將上覆水和沉積物混合并冷凍干燥后對EE2定量測定。結果發現EE2濃度顯著下降，終去除率達到44%-99%（圖1）。在非生物控制中，EE2的濃度下降小于8%，證明了非生物過程，如化學水解、化學還原和不可逆吸附在降解中起到了次要作用，并且EE2主要是通過沉積物中的微生物降解去除。OM質量在決定雌激素降解中起重要作用。相同濃度的COM和MOM對EE2的降解有相似的促進作用。相比之下，HA的存在對EE2降解的促進作用要弱得多。在第30天和第60天，采用雙向方差分析，發現有機質數量和質量對EE2降解的顯著交互作用。隨著EE2的降解，水-沉積物系統中的有機碳含量也降低。同樣，有機質的降解率也與有機質的數量和質量有關。作者進一步發現，水-沉積物系統中TOC的去除與EE2降解效率正相關。TOC和EE2濃度的同步下降表明EE2利用有機碳，同時也被細菌代謝降解。
圖1
2.細菌活性對OM輸入的反應
2.1胞外聚合物（EPS）產量
為了研究細菌代謝活性變化，作者對胞外聚合物產量進行研究。研究結果發現較高濃度的COM和MOM主要促進膠體EPS（C-EPS）的產生，而三種OM對結合EPS（B-EPS）分泌的影響更為相似（圖2）。此外，雖然在一個月時，內源性OM對EPS產生的促進作用強于HA，但在孵育結束時，HA對胞外蛋白和多糖的分泌有顯著的促進作用。有效碳源也可以增加細菌數量，促進沉積物中EPS的分泌，導致總EPS濃度與OM中可生物降解濃度之間正相關。色氨酸和酪氨酸樣組分與第30天EPS中的蛋白質濃度顯著正相關，多糖濃度與酪氨酸樣組分正相關。HA具有大的表面積和與EPS中的脂肪族、芳香族和羧基的強結合位點，因此它也可能通過結合增加EPS濃度。此外，HA的沉積物中胞外酶活性較低也有助于在培養過程中EPS的逐漸積累。
圖2
2.2胞外酶活性
接著為了比較水-沉積物系統中細菌群落的代謝活性，作者研究了5種胞外酶的活性。孵育30天后，1mg C g-1的OM使UA活性從227.64增加到255.92-327.65U/g，顯著低于3mg C g-1OM沉積物中的UA活性。第30天脲酶UA的活性依次為3C-G（COM at 3mg C g-1）>3M-G（MOM at 3mg C g-1）>3H-G（HA at 3mg C g-1），但在孵育結束時，它們的活性接近。此外，盡管在第30天，3mg C g-1的COM和MOM的促進作用明顯強于HA，但OM沉積物中終中性蛋白酶NPA活性之間未觀察到顯著差異（圖3b）。3mg C g-1的原生有機物OM顯著增加二乙酸熒光素FDA活性（P<0.05），但終FDA活性在C-G（COM at 1mg C g-1）、M-G（MOM at 1mg C g-1）和H-G（HA at 1mg C g-1）中相似（圖3c）。對于脫氫酶DHA，1mg C g-1的COM比MOM更能增強DHA活性，而3M-G的DHA在孵化結束時活躍（圖3d）。此外，3mg C g-1的HA對DHA活性沒有顯著影響。相關性表明，UA、FDA和DHA活性與第30天OM中的蛋白酪氨酸樣物質顯著正相關。因此，內源性有機質的輸入對胞外酶活性的影響主要是暫時的，且與有機質的數量和質量有關。
COM和MOM改善的沉積物中UA活性較高，說明OM等原生沉積物中豐富的含氮化合物（如蛋白質、多肽和氨基酸）是細菌的有效氮源，促進了沉積物中氮的循環。由于大多數沉積微生物可以產生蛋白酶來水解肽鍵，從而將多肽鏈中的氨基酸連接在一起，COM和MOM中類似蛋白質的成分的存在也增加了NPA活性。但隨著有機質的降解，添加的養分逐漸礦化，NPA活性降低。FDA的高活性也表明OM沉積物中有較強的微生物代謝活性。UA、NPA、FDA和DHA活性的增強表明，原生有機質的存在創造了一個活躍的微生物群落，其中可能包括增強的EE2代謝。
圖3
3.細菌群落結構對OM輸入的反應
3.1細菌群落組成
后作者為了研究細菌群落的演化，利用高通量基因測序技術，從種群組成、結構和代謝基因等方面進行分析。高通量結果共產生307680個序列，并以97%的同一性分配給1588個OTU。根據qPCR分析，COM和MOM的存在更有利于細菌在第30天的生長，而長期暴露于HA也增加了生物量的生長。在2個月的培養期間，細菌群落組成的演變存在時間變異性。第30天，3C-G和3M-G的細菌群落與其它細菌群落有明顯區別，而3C-G和3M-G的細菌群落相互接近，終與C-G和M-G的細菌群落有所不同。這一結果突出了細菌群落組成對有機質濃度的敏感性。
為了闡明特定菌群對OM數量和質量的反應，確定了每個熒光OM組分的強度與細菌在類別和種屬水平上的相對豐度之間的Spearman相關性（圖4a和b）。
基于Spearman的OTU和熒光OM組分之間的相關性，進一步構建了共現網絡（圖4c和d）。正相關性占兩個網絡總相關性的一半以上。OTU之間的緊密相關性表明微生物在降解可生物降解有機質組分時具有很強的種間相互作用。
蛋白質類物質與群落成員之間的關聯性更強，說明微生物在利用有機質等原生物質時比在腐殖酸降解過程中更傾向于共生和聚集。微生物之間的促進性相互作用可以協調微生物群落，以發展污染物降解的自發適應和代謝可塑性。因此，EE2降解的增強不僅與群落豐富度或物種豐富度的變化有關，而且與AOM沉積物中參與種間共營養合作的代謝途徑有關。
圖4
3.2細菌群落功能
由于代謝功能基因在OM 3mg C g-1微環境中所占比例大，因此對其變化進行了進一步的研究（圖5）。其中碳水化合物代謝豐富，其次是氨基酸代謝、脂類代謝和外源生物降解代謝。輸入內源性OM后，各組間差異有顯著性。
碳水化合物和氨基酸代謝途徑的增加表明，COM組和MOM組的碳周轉率和碳源利用率較高。此外，COM和MOM中的高分子量物質也可能誘導參與脂質代謝的功能基因顯著上調。因此，代謝的上調很大程度上依賴于不穩定有機物成分的刺激。
與外源降解EE2相關的微生物個體的增加解釋了EE2降解速度加快。氨基酸、碳水化合物和外源代謝基因的同時增加也證實了EE2降解中出現的共代謝現象。
外源生物降解能力的顯著增加表明，類似OM的輸入在沉積物中不僅通過增加細菌群落的活性增加了EE2的降解，而且通過重塑細菌的功能基因增加了EE2的降解。
圖5
研究結論和意義
氣候變化和日益嚴重的富營養化預計將增加淡水湖泊原生有機物的生物產量。本文研究了某富營養化湖泊底泥系統原生有機物輸入對細菌群落及后續EE2降解能力的啟動效應。有機質中可生物降解的組分也是細菌群落向富營養化狀態轉化的關鍵因素，促進了微生物間的相互作用，并導致有機碳和外源化合物代謝功能基因的上調。細菌群落活性、組成和功能的變化顯著促進了EE2的降解，藍藻為主的區域可能是富營養化淡水湖泊雌激素衰減的潛在熱點區域。
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