沉水植物生物膜中活性氧的時(shí)間變化：氧波動(dòng)介導(dǎo)微生物代謝的關(guān)鍵作用

時(shí)間：2023/9/25閱讀：807

摘要

活性氧(ROS)在水生環(huán)境的生物地球化學(xué)中起著至關(guān)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(bào)道。本文研究了大型植物葉片生物膜演代過(guò)程中生物膜微環(huán)境的光暗循環(huán)波動(dòng)和代表性ROS (O₂^•?)的時(shí)間變化，并對(duì)生物膜中的光化學(xué)過(guò)程進(jìn)行了量化。研究結(jié)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(dòng)，并與溶解氧、氧化還原電位和pH同時(shí)波動(dòng)，這都是由生物膜的好氧-缺氧交替條件驅(qū)動(dòng)的。在整個(gè)生物膜演替過(guò)程中，O₂^•?和ROS的強(qiáng)度先升高后降低。不同水體生物膜中O₂^•?濃度的變化順序?yàn)猷l(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(guān)鍵作用。放線菌門(mén)(Actinobacteria)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)對(duì)ROS的貢獻(xiàn)顯著，分別為44.6%、32.8%和15.2%。偏最小二乘路徑建模結(jié)構(gòu)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(guān)。這些發(fā)現(xiàn)將有助于管理部門(mén)制定相關(guān)水生環(huán)境生態(tài)恢復(fù)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(gè)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(dòng)，其中，光照9 h后達(dá)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(dòng)。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(nèi)波動(dòng)，光照后呈下降趨勢(shì)，天黑后呈上升趨勢(shì)。

圖示研究了在景觀湖水(LW)、農(nóng)村河水(RW)和養(yǎng)殖水體(AW)中培養(yǎng)不同時(shí)間的葉片生物膜中ROS強(qiáng)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(gè)重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

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沉水植物生物膜中活性氧的時(shí)間變化：氧波動(dòng)介導(dǎo)微生物代謝的關(guān)鍵作用

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