《武汉植物园在河流微塑料环境归趋的研究中取得新进展》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2022-01-05
  • 微塑料正逐渐在世界范围内广泛传播,成为水环境中普遍存在的环境污染物。河流可能在微塑料从陆地到海洋的运输中发挥重要作用。在全流域尺度下对微塑料的环境归趋进行研究,对于澄清河流系统在将微塑料运输到海洋中的实际作用至关重要。

      武汉植物园特别研究助理苑文珂运用全流域调查和微塑料群落分析相结合的方法探讨了长江流域微塑料的来源、迁移和归趋,并提出了政策建议和研究展望,以帮助更好地修复河流系统的微塑料污染。研究结果表明,微塑料在长江流域具有普遍性和异质性。复杂的地理和人为因素导致微塑料从上游到下游不断增加。生活污水、渔业活动和地表径流可能是长江流域微塑料的主要来源。微塑料的密度和尺寸可能是影响微塑料在河流系统中迁移的关键因素。由于尺寸小、垂直迁移性高,沉积物微塑料具有更高的生态风险。此外,本研究引入并强调了微塑料聚合物的群落分析,显示了其在未来微塑料研究中的潜力。不同环境介质中的微塑料群落差异显著,且与地理距离高度相关,长江中下游主要城市被认为是长江微塑料污染的关键节点。根据初步估算,2019年约有1.22×1015粒微塑料(0.05~5 mm)通过长江水(97.54%)和泥沙(2.46%)入海,因此,建议将水管理和废水处理作为入海河流中微塑料防控的首要任务。

      相关研究成果以“Environmental fate of microplastics in the world's third-largest river: basin-wide investigation and microplastic community analysis”为题,发表于环境领域学术期刊Water Research上,助理研究员苑文珂为第一作者,杨玉义研究员为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金(32071614)、中国科学院水生植物与流域生态重点实验室启动研究基金(Y9519802)和中国科学院特别研究助理资助项目(E1291P02)等课题的支持。

      论文链接:https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.118002

  • 原文来源:http://www.whiob.ac.cn/xwdt/kydt/yjjz/202112/t20211230_6330575.html
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    • 编译者:hujm
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    • 与陆生植物相比,水生植物的生存环境已经发生了根本性的变化,由此沉水植物演化出了一系列较为特殊的功能性状,对周围环境的响应机制也有其特殊之处。武汉植物园水生植物生物学学科组科研人员在水生植物功能性状及对环境响应研究开展了一系列研究,取得如下进展:   1、沉水植物对不同盐度的响应   人们对盐分影响植物生长发育的认知可能已有上千年。实验中通过设置不同的盐度梯度,发现穗状狐尾藻在盐度5‰条件下原有茎尖会死亡,同时形成新的矮化茎尖。解剖结构的研究表明植物茎尖表皮细胞形态发生显著变化。相关研究结果以“Responses of five submerged macrophytes to NaCl salinity in a tropical mesocosm study”为题发表在Fundamental and Applied Limnology上。本文第一作者为海南大学陈涛,共同通讯作者为海南大学尹黎燕和武汉植物园操瑜副研究员。论文DOI:10.1127/fal/2020/1303.   2、沉水植物对螺类密度的响应   螺类与沉水植物存在较为复杂的交互作用,一种是通过取食附着藻促进植物的生长,一种是通过直接取食抑制植物的生长。本实验通过设置不同的螺类密度对四种沉水植物生长与繁殖的影响进行了分析,研究结果表明:高密度条件下,沉水植物生长受到了显著的抑制,而且不同植物的功能性状响应也有所不同,茎杆较细的尖叶眼子菜(Potamogeton oxyphyllus)在高密度螺类处理中株高显著矮于低密度螺类出。相关研究结果以“Responses of four submerged macrophytes to freshwater snail density (Radix swinhoei) under clear-water conditions: A mesocosm study”为题发表在Ecology and Evolution上。本文第一作者是武汉植物园水生植物生物学课题组支永威,通讯作者为操瑜副研究员。论文DOI: 10.1002/ece3.6489。   3、沉水植物对新型污染物的响应   狸藻是大型无根水生植物,通常生长在小湖泊和池塘中。一株狸藻可以拥有成百上千个捕虫囊来捕获和消化猎物。这些捕虫囊(长1-5毫米)由外壁和顶部的单个阀门组成。除了植物表面进行的正常养分吸收外,捕虫囊还用于捕获小的猎物,这些猎物是狸藻养分的主要来源。添加新型污染物微塑料的受控实验结果表明狸藻的生长显著的受到微塑料的抑制,可能的毒理机制是,狸藻可以通过捕虫囊摄入大量的微塑料,并且微塑料也可以粘附在植物上。同时,通过模型计算探讨了EC50在毒理学中的应用。相关研究结果以“Bladder entrance of microplastic likely induces toxic effects in carnivorous macrophyte Utricularia aurea Lour”为题发表在Environmental Science and Pollution Research上,本文第一作者是武汉植物园水生植物生物学课题组周靖喆,通讯作者为操瑜副研究员。同时以“Letter to the editor: Proteomic responses to silver nanoparticles vary with the fungal ecotype”为题发表在Science of the Total Environment上。本文第一作者是海南大学黄家权教授,通讯作者为江红生副研究员。论文DOI: 10.1007/s11356-020-09529-y及10.1016/j.scitotenv.2020.140705.   4、沉水植物功能性状研究(叶片长度和碳酸氢根的利用)   叶片是植物光合作用的重要器官,叶片长度作为植物性状中的一个重要指标,一直以来都是相关研究的重点。世界上叶片最长的陆生木本植物是棕榈树科的Raphia regalis,叶长可达25 m。最长的陆生草本植物百岁兰属(Welwitschia)、海芋属(Alocasia)和Musa的植物叶片可达3 m(除去叶柄)。目前关于陆生植物叶片的最大长度的限制原因已有较多研究,认为最大叶长主要受限于叶脉直径和叶密度,但对于沉水植物的叶片最大长度及其限制因素仍然是未知的。   具有带状叶片的沉水被子植物通常具有较长的叶片,且此类植物的长度通常代表植物的最大高度和捕光能力。本研究通过对淡海水中48种带状沉水被子植物的最大叶长数据进行收集整理,发现澳大利亚苦草(Vallisneria australis)的叶片最长,为300 cm(图1)。鉴于水生被子植物起源于陆生植物,二者具有相似的生理基础(如营养需求和氧气输送),但由于水陆生境的不同,随着沉水植物对水环境的不断适应,二者的叶片性状存在差异较大,因此,限制沉水植物叶片伸长的因素可能与陆地植物不同。研究表明,光照不是调节淡水湖泊中沉水植物最大带状叶长的唯一影响因素,其它生物因素(如叶片寿命和密度)和非生物因素(如水力阻力)可能参与调节。该研究是对带状叶沉水植物最大叶长限制因素的初步探索,仍需更多相关工作(如叶片寿命)去研究限制其最大叶长的主要因素。相关研究结果以“Is there a maximum length of strap-like leaves for submerged angiosperms?”为题发表在Aquatic Botany上。本文第一作者是武汉植物园水生植物生物学学科组刘洋,通讯作者为操瑜副研究员。论文DOI: 10.1016/j.aquabot.2019.103184。   水分胁迫不再是沉水植物光合作用的主要限制因素,CO2成为沉水植物光合作用的首要限制因子。虽然CO2能轻易的穿透生物膜,但它在水中的扩散速率比在空气中要低104倍,此外由于水体与植物体边界厚的静水层的阻挡,使得沉水植物光合作用常受到低CO2供应的胁迫;而喀斯特地区水体中的无机碳含量常常非常高,沉水植物的光合无机碳利用策略可能与其他地区不同。本研究选取典型喀斯特地区的一条河流研究河流上下游沉水植物的无机碳利用能力,结果从河流上游到下游优势的沉水植物的主要无机碳利用途径从CO2转变为HCO3- 。相关研究结果以“ Different mechanisms of bicarbonate use affect carbon isotope composition in Ottelia guayangensis and Vallisneria denseserrulata in a karst stream”为题发表在Aquatic Botany上。本文第一作者是武汉植物园水生植物生物学学科组江红生,通讯作者为海南大学尹黎燕教授。论文DOI: 10.1016/j.aquabot.2020.103310 。
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    •     环境中的纳米塑料由于具有比表面积大、表面极性低、容易吸附积累其他污染物等特点而被广泛关注。水生环境中纳米塑料和砷的共同污染对水生植物的生长造成了严重威胁,但对水生植物产生影响的分子毒性机制尚不清晰。基于此,武汉植物园水生植物与水生态系统健康研究团队开展了纳米塑料与类金属砷对沉水植物毒性效应的作用机制的研究,取得进展如下:水生植物与水生态系统健康学科组博士研究生汤娜在邢伟研究员的指导下,研究了大型沉水植物密刺苦草应对纳米塑料和砷单一及联合暴露下的生理学、转录组学、代谢组学反应和细胞器变化。结果表明,纳米塑料和砷暴露改变了密刺苦草的叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白质、丙二醛含量和抗氧化酶活性等生理性状。纳米塑料的增加使类金属砷在植物组织中的分布相较对照增加了36.2 ~ 47.2%,可见纳米塑料的存在加重了砷对植物的复合污染。转录组学分析揭示了密刺苦草应对纳米塑料和砷胁迫下基因和酶表达水平的变化。并进一步对生理指标和差异表达基因进行加权基因共表达网络分析,整合得到涉及不同生理指标变化的关键酶相关的应激响应候选基因模块,这些基因模块包括核酮糖-二磷酸羧化酶、丙氨酸转氨酶、天冬氨酸转氨酶、磷酸果糖激酶-1和苯丙氨酸解氨酶等。代谢组学分析鉴定了密刺苦草应对纳米塑料和砷共暴露下碳水化合物、氨基酸、有机酸和脂肪酸等代谢物水平的变化。转录组学和代谢组学联合分析表明,光合系统、能量转换和氧化抗氧化系统的变化是密刺苦草应对纳米塑料和砷共暴露条件下的主要防御反应机制。本研究的多组学分析为水生植物对纳米塑料和砷联合毒性的耐受机制提供了新的分子见解,突出了受污染水生生态系统中缓解胁迫和生物监测的潜在目标。