爱尔斯微课堂|浅析浅水湖泊水生植物残体降解过程中活性氧物种的产生及作用

对不同降解条件下植物残体的去除率进行分析，如图所示，在残体降解的前50d内，单微生物降解处理组的残体降解最快，第50d残体去除率达到35.5±2.3%，其次为可见光＋微生物降解处理组（31.2±1.5%），降解最慢的处理为单光降解处理组（19.3±2.9%）。然而降解50d后，可见光＋微生物降解处理组的降解率逐渐高于单微生物降解处理组和单可见光降解处理组，证明了可见光和微生物联合降解对植物残体的去除过程发挥着重要的作用。实验结束时（110d），可见光＋微生物降解处理组、单微生物降解处理组和单可见光降解处理组的残体去除率分别为54.9±2.1%、48.3±2.3%和39.3±2.2%。在整个降解过程中，单可见光降解处理组的降解率显著低于可见光＋微生物降解处理组和单微生物降解处理组。另外，对照组的残体质量在实验过程中没有发生显著变化。

随后根据110d内各处理组的剩余残体量计算残体k和t_1/2值（见下表）。前50d内，单微生物降解处理组的k和t_1/2值高于单可见光降解处理组和可见光＋微生物降解处理组。第110d，可见光＋微生物降解处理组的k和t_1/2值明显升高，且k值高于单可见光降解处理组和单微生物降解处理组。

木质纤维素结构是水生植物的主要组成部分，该结构确保水生植物结构稳定、强健，从而保护其抵御周围环境风险，对维持植物正常运输水分、养料以及抵抗外界不良侵袭具有重要作用。木质纤维素结构中的主要组成部分为木质素、纤维素及半纤维素。分析单光降解、单微生物降解及可见光＋微生物联合降解作用对去除残体各组分随时间的变化趋势（见下图）。

结果表明，不同降解条件下，纤维素、半纤维素和木质素的去除率均随着时间增加而增加，但残体各组分的变化趋势呈现差异性。纤维素降解效率最高，实验结束时（110d），各处理组的纤维素几乎完全被去除（＞99%），并且各个处理组间并无显著性差异。前50d内，单可见光组降解处理组的半纤维素的去除效率显著低于单微生物处理组和可见光＋微生物降解处理组。第50d开始可见光＋微生物降解组的半纤维素去除率逐渐大于单可见光处理组和单微生物处理组。110d时，可见光＋微生物降解处理组、单可见光处理组和单微生物处理组的去除率分别达到25.3±1.9%、12.33±4.4%和22.3±1.5%。

木质素去除率的变化趋势与纤维素和半纤维素有较大的差异。在实验的前75d内，单可见光处理组的木质素去除效率显著高于单微生物处理组和可见光＋微生物降解处理组，但75d后，可见光＋微生物降解处理组的木质素去除率显著高于单可见光处理组和单微生物处理组。第110d，可见光＋微生物降解处理组、单可见光处理组和单微生物处理组的去除率分别达到54.89±1.4%、33.85±1.2%和32.14±1.3%。结果证明，可见光和微生物降解相结合对水体中植物残体各组分的去除率有积极影响，尤其是提高木质素的去除效率。

DOC和CDOM的过程分析植物残体降解过程中DOC浓度随时间的变化如图所示。实验第10d，单微生物降解处理组的DOC含量（65.46±1.65mg·L^-1）显著高于单可见光降解处理组（32.26±2.18mg·L^-1）和可见光＋微生物降解处理组（43.50mg·L^-1）。同时还发现，在实验10d内，对照组也生成DOC（16.2±2.10mg·L^-1），这是由于植物残体在水体中浸泡过程中会通过物理作用将DOC组分释放到水体中。随着残体逐渐分解，单微生物降解处理组和可见光＋微生物降解处理组的DOC浓度呈下降趋势，最终浓度均低于10mg·L^-1。但单可见光降解处理组DOC浓度呈上升趋势，在75d时DOC浓度（48.02±1.51mg·L^-1）最高，之后浓度逐渐下降，最终110d时浓度仍达28.51±2.95mg·L^-1。

植物残体降解过程中水体的CDOM吸收系数α（355）的变化如上图。各实验组的变化趋势相似，10d时单可见光降解处理组、单微生物降解处理组和可见光＋微生物降解处理组的CDOM丰度均达到最大值（分别为47.13±3.46、36.12±3.95和45.91±3.59m^-1），10-75d内，各处理组CDOM丰度均呈下降趋势减小，在 75d丰度均达最小值（15.43±2.88、13.58±1.97和15.51±2.21m^-1），之后各处理组CDOM丰度呈上升趋势，直至实验结束（110d）时，各处理组CDOM丰度分别为29.01±1.28、23.63±6.44和30.48±1.74m^-1。在整个实验过程中， 单微生物降解处理组的CDOM丰度总是低于单可见光降解处理组和可见光＋微生物降解处理组。

不同处理组下植物残体降解过程中水体的3种ROS（·OH、¹O₂和³CDOM^*）产生速率随时间变化趋势见下图。实验前10d，可见光＋微生物降解处理组的ROS形成速率快于单可见光降解处理组。之后，各处理组ROS的形成速率均呈下降趋势。75-110d，不同处理条件下3种ROS的形成速率逐渐相近。在降解的前75d内，·OH的形成速率相对较快。75d后，·OH和¹O₂的形成速率逐渐相近，均快于³CDOM^*，但三者差别较小。

从图可看出，3种ROS在不同降解条件下累积浓度的变化趋势大致相似。在降解的前30d，单可见光降解处理组累积浓度均高于可见光＋微生物降解处理组。30d后，可见光＋微生物降解处理组累积浓度逐渐高于单可见光降解处理组。在整个实验过程中，单微生物处理组也产生了3种活性氧，但累积浓度是各处理中最低的。在整个实验过程中，对照组中几乎没有发现ROS的产生。

对不同降解条件下的残体组分去除效率与3种ROS累积产生的浓度进行分析。下图表明，纤维素、半纤维素和木质素组分的去除效率与·OH、¹O₂和³CDOM^*累积生产潜力均呈正相关（R2=0.538-0.763）。对比降解过程中生成的3种ROS浓度，·OH自由基浓度最高，且与残体各组分去除率的相关性更强（R2=0.733-0.763）。对比3种残体组分，木纤维素与·OH的相关性最强，其次是半纤维素，易降解的纤维素组分与·OH的相关性最弱。

本研究结果表明，光和微生物的联合分解促进了水生植物残体的去除，光辐射对浅水湖泊水体中水生植物残体的降解起着重要作用，尤其促进了植物残体中木质素组分的去除。并且不同处理组下， 植物残体降解过程中均持续产生ROS，而ROS对植物残体的化学成分的变化，尤其是其中难降解组分的去除发挥着关键作用。水体中两种有机质矿化途径——光分解和微生物分解呈现互补的相互作用关系。在水生植物的细胞内组织中，大部分碳是结构材料（即木质纤维素）。木质纤维素由复杂的多糖类物质组成，主要成分包括纤维素，木质素和半纤维素。其中，纤维素和半纤维素可以进行生物降解和发酵产糖，但是木质素却不易被破坏，由于木质素为光敏物质，在水体中主要通过光分解去除。

然而，光分解和微生物分解对植物残体分解过程中向水体中释放DOC的影响是不同的。微生物处理下，前期降解过程中（前50d），植物残体向水体中快速释放大量易分解有机质，促进了水体中微生物群落的大量生长进而促进残体分解产生更多的DOC。但是可见光会破坏微生物原来的水生环境，且光辐射可能会破坏DNA结构，进而抑制微生物降解效果，因此可见光＋微生物降解处理组的残体质量去除缓慢，向水体中释放DOC的含量较低。然而，长期降解过程中，由于微生物群落逐渐适应光辐射环境，因此，可见光＋微生物降解处理组逐渐呈现最强的去除残体的效果。实验结束（110d）时，单可见光降解处理组中累积的DOC含量显著高于单微生物降解处理组和可见光＋微生物联合降解处理组，可能是因为光降解对水体中的小分子组分分解能力较弱，从而造成有机碳的累积。

有意思的发现是，各个处理组下植物残体分解过程中均产生ROS，并且能够持续产生。而其中的光辐射处理组下ROS产生的含量较高。一方面，残体分解过程中向水体中释放的DOM的有发色基团受光激发可通过吸收一定波长的太阳光生成ROS；另一方面，残体可以通过还原酶在残体表面直接还原O₂，从而产生ROS。单微生物降解处理组也会产生ROS，这与之前的研究相同，担子菌中的漆酶可以产生ROS。ROS通常以代谢中间产物的形式产生， 尽管这些ROS的寿命很短，但它们在自然水体中的许多生物和非生物介导的氧化还原反应中起着关键作用。特别是ROS能够参与污染物的降解，如农药、药品微量有机污染物。为深入探究植物残体在光和微生物降解过程中累积产生的ROS与残体中难降解组分之间的关系，进一步对残体各组分的去除效率与产生的ROS浓度进行分析，3种残体组分与3种ROS均呈正相关性，更证实了ROS对降解过程中残体各组分的去除效果起着重要作用。3种ROS中·OH自由基浓度最高，且与不同种类残体的去除效率相关性更明显，这一现象说明·OH自由基是反应性最强的瞬态。它们具有非选择性和靶向降解难降解污染物的能力。3种残体组分中，木质素的去除效率与3种ROS的相关性更强，表明了分子经历光解的先决条件是它吸收阳光的能力。结合前人研究，光辐射会提高残体各组分去除率的原因是：①ROS能够促进木质素进行光氧化作用， 从而生成易被微生物利用的小分子水溶性产物；②纤维素在木质纤维素结构中会受到木质素的保护，光氧化作用会破坏木质素的保护层，提高纤维素的降解效率。实际上，光辐射作用下对分解残体的微生物的影响，尤其是酶的活性的影响尚不可知，并且光对湖泊水体中植物残体的降解作用受到光强度、温度、水体特征、水体微生态、沉积物等的影响，后续的实验将会继续探究光的存在下是否会对微生物胞外酶的贡献产生影响以及确定影响光对水体中植物残体降解的主要环境因素。

1、与单微生物和单光降解相比，可见光和微生物联合降解作用可以去除更多的植物残体，特别是可以加速去除植物残体组分中难降解组分木质素。

2、不同降解条件下，芦苇残体在短期和长期降解阶段所产生的DOC含量不同。短期降解阶段，单微生物降解组和光和微生物降解组均释放出较多的DOC；而在长期降解阶段，单可见光降解处理组中累积的DOC含量显著高于单微生物降解处理组和可见光＋微生物联合降解处理组。

3、与单可见光降解或单微生物降解相比，光和微生物降解联合处理累积产生更多的ROS。进一步统计分析得出累积产生的ROS浓度与不同残体组分尤其是木质素组分的去除率均呈显著正相关关系，其中生成·OH自由基的含量最多，与残体各组分去除率的相关性更强。