沉水植物生物膜中活性氧的時間變化：氧波動介導微生物代謝的關鍵作用

時間：2023/9/25閱讀：758

摘要

活性氧(ROS)在水生環(huán)境的生物地球化學中起著至關重要的作用，但其在沉水植物生物膜中的發(fā)生和積累卻鮮有報道。本文研究了大型植物葉片生物膜演代過程中生物膜微環(huán)境的光暗循環(huán)波動和代表性ROS (O₂^•?)的時間變化，并對生物膜中的光化學過程進行了量化。研究結果表明，O₂^•?的持續(xù)產(chǎn)出量在32.49±0.56 μmol/kg ~ 72.56±0.92 μmol/kg之間呈現(xiàn)出明顯的節(jié)律性波動，并與溶解氧、氧化還原電位和pH同時波動，這都是由生物膜的好氧-缺氧交替條件驅動的。在整個生物膜演替過程中，O₂^•?和ROS的強度先升高后降低。不同水體生物膜中O₂^•?濃度的變化順序為鄉(xiāng)村河水>景觀湖水>養(yǎng)殖池塘湖水，其中葉片光合作用和微生物群落發(fā)揮了關鍵作用。放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)對ROS的貢獻顯著，分別為44.6%、32.8%和15.2%。偏最小二乘路徑建模結構方程分析表明，葉片生物膜中ROS的產(chǎn)生主要與微環(huán)境和微生物代謝有關。這些發(fā)現(xiàn)將有助于管理部門制定相關水生環(huán)境生態(tài)恢復策略。

摘要配圖

本圖揭示了生物膜中ROS的產(chǎn)生以及葉片微邊界層環(huán)境因子(DO、Eh和pH)在三個光-暗循環(huán)中的變化，(a) 超氧自由基(O₂^•?)；(b) 溶解氧(DO)；(c) 氧化還原電位(Eh)；(d) pH。O₂的產(chǎn)生表現(xiàn)出明顯的光-暗循環(huán)波動，其中，光照9 h后達到峰值72.56 ±0.92 umol/kg FW，黑暗12 h后下降至32.49 ± 0.56 mol/kg FW。與O₂的振蕩類似，葉片生物膜微環(huán)境也存在明顯的周期性波動。從黑暗到明亮的條件下，DO從80增加到250 pmol/L，而Eh從大約160增加到350 mV。值得注意的是，O₂^•?生成速緩慢下降后迅速下降，這與DO和Eh從光照到黑暗的快速下降不同。pH值在8.3 ~ 9.5范圍內波動，光照后呈下降趨勢，天黑后呈上升趨勢。

圖示研究了在景觀湖水(LW)、農村河水(RW)和養(yǎng)殖水體(AW)中培養(yǎng)不同時間的葉片生物膜中ROS強度(a)和胞外02產(chǎn)生量(b)的變化。不同字母間有顯著性差異(p<0.05)，誤差線指示三個重復的標準誤差。

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