生物学毕业论文十分论文：典型海域微生物群落构成及生物地球化学意义,生物

第一章 前言

1 海洋微生物与生物地球化学循环
微生物生态学是对微生物个体、群体以及它们之间的相互作用进行研究的一门学科。微生物是地球上最小的生物（不包括病毒），它们生活在地球上的各个角落，包括极地、热液口和深海等极端环境[1]。微生物在环境改善、工业生产中起着非常重要的作用。对微生物生态进行研究有助于进一步提高人类现有的生活水平。海洋作为生命的摇篮，其总面积约占地球总表面积的 71%。在自然因素以及人为作用的双重影响下，不同海域具有了复杂多样的环境，表现为各种理化因子（如 pH、温度、盐度和溶解氧等）在不同海域呈现出多样化，为不同海洋生物的生存提供了复杂多变的条件，进而形成了复杂多样的生态系统。如此浩瀚的海洋同时为微生物提供了广阔的生存空间，它们分布于从近海到远海、表层到底层、极地海冰到深海热液口等各种不同的生境当中。此外，海洋微生物为适应压力、盐度、温度和营养等不同环境条件[2]进化出了不同的生理生化特性，蕴藏着大量具有潜在利用价值的新型基因和生物活性物质[3]。因此，对海洋微生物资源的开发利用具有十分重要的工业价值。作为海洋生物的重要组成部分，海洋微生物既是生态系统中的生产者又是消费者，在食物链传递和生源要素循环等过程中起到了至关重要的作用。微生物几乎能参与海洋中所有的生物化学反应，在生物地球化学循环中扮演着重要的角色[1]，而了解海洋环境中的微生物群落结构及其它们的分布模式是弄清微生物所发挥生态功能的前提。海洋微生物具有数量多、分布广、多样性高、不易培养等特点。目前，仅有不多于 1%的海洋微生物能被培养[4]。在这样的背景下，基于分子生物学技术的非培养方法得到广泛应用。
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1.2 微生物介导的地球化学反应过程
浮游植物和光合自养微生物将大气中的二氧化碳（CO2）转化为有机碳是海洋碳循环的起点，而蓝细菌作为浮游生物的重要组成部分，是初级生产力的主要贡献者。这些光合作用生成的有机质形成了巨大的海洋有机碳库，其主要以两种形式存在：溶解有机质（DOM）和颗粒有机质（POM）。其中，DOM 依据其可利用性可分为易降解（labile）、不易被利用（semilabile）和惰性（refractory）DOM三类[1]；依据其分子量又可分为高分子量（HMW）和低分子量（LMW）DOM两类，而高分子量 DOM 具有更高的反应活性[6]。在海洋真光层中，一部分易降解DOM会通过浮游生物的呼吸作用和异养微生物的分解作用转化为CO2而重新回到大气中，一部分还会以 POM 的形式通过“生物泵”作用被输送到海底。POM上附着大量的异养细菌，其丰度是周围海水的 102-104倍[7]。在 POM 的垂直输送过程中，其附着细菌会分泌大量的胞外酶并在 POM 的转化与降解过程中发挥重要作用。细菌降解 POM 所生成的 DOM 大部分被释放到周围海水中，是支持深海自由生微生物生产的主要物质来源。此外，海洋微生物还能通过“微型生物碳泵”过程将易降解 DOM 转化为惰性 DOM，这些惰性 DOM 占海洋中总 DOM 的95%，并且主要以低分子量的形式存在，具有很低的反应活性，因此被长期储存在海洋中[8]。在各种温室气体不断排放，全球气候变暖的大背景下，增强海洋碳汇刻不容缓。对“微型生物碳泵”过程进行干预，就可能增大惰性 DOM 的转化率，进而增加海底碳埋藏量。
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第二章 溶解氧和营养盐依赖的珠江口浮游微生物群落分布特征

1.1概述
作为海洋与淡水交接的缓冲带，河口区域存在包括盐度、营养等环境因素在内的各种天然梯度，成为研究微生物多样性及其对环境响应的理想生境。对于河口门、纲水平上的细菌群落结构已有诸多报道，它们的研究结果表明淡水与海水环境中的细菌群落组成具有显著的差别[44, 67]。然而，这些研究大部分使用的是传统的克隆文库、指纹图谱或 FISH 技术，它们所能提供的信息有限。另一方面，对于河口尤其是水深较浅河口的微生物群落的垂直分布模式还了解较少[68, 69]。此外，相比于细菌群落结构，对于河口环境的古菌群落组成特征罕有报道[70, 71]。盐度是影响细菌群落结构的最主要因素之一，其影响甚至超过了温度、pH等其它因素[72]。近年来随着工业技术不断发展，人口更加密集化，各种污染物、营养物的排放对河口环境造成了极大的影响，使河口上下游底层水体出现了严重的缺氧[43, 73-75]。溶解氧对淡水及海水中的微生物群落分布具有非常显著的影响[76-78]。此外，各种营养元素的比例是限制水生微生物生长的重要因素，因此营养梯度对微生物群落结构的影响也至关重要[79]。然而，对于河口特别是淡水缺氧以及营养盐对微生物群落结构的影响了解尚浅。
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1.2 样品采集
珠江口科研调查航次于 2012 年 7 月 16 日至 8 月 12 日搭乘天龙号科考船执行。水样使用 SEALOGGER 温盐深剖面仪沿珠江口虎门上游淡水区域及下游咸水区域进行采集。表、底层水样分别采自水体 1 米深和高于底层 1-2 米。本研究共采集 8 个站位样品，包括 3 个淡水站位（P01、P03 和 P07）以及 5 个咸水站位（C2、C3、A08、F412 和 F414）。站位 C2、C3 和 A08 位于中盐度区域而 F412和 F414 站位位于高盐度区域（图 2-1 和表 2-3）。水体盐度、温度、浊度和深度等数据由 SEALOGGER 温盐深剖面仪进行测量。用 0.45 μm 的醋酸纤维素膜过滤水样用于氮、磷营养盐（NO2-、NO3-、NH4+和 PO43-）的测定。营养盐由厦门大学戴民汉教授组使用分光光度法和比色法进行测量[81, 82]。
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第三章 珠江口沉积物微生物群落结构特征及其环境响应.........49
1 材料与方法 ..... 49
2 实验结果......... 51
3 讨论..... 60
3.1 珠江口沉积物微生物群落的多样性指数...... 60
3.2 环境因素与珠江口沉积物微生物群落变化的相关性..... 61
3.3 珠江口沉积物微生物群落的分布模式.... 62
第四章 中国北部边缘海沉积物的微生物生物地理学分布.........64
1 材料与方法 ..... 64
2 实验结果......... 68
3 讨论..... 77
第五章 近海沉积物微生物群落共存模式探索 ....82
1 材料与方法 ..... 82
2 实验结果......... 83
2.1 细菌网络关系 ...... 83
2.2 细菌功能类群网络关系......... 84
2.3 古菌网络关系 ...... 85
3 讨论..... 86

第五章 近海沉积物微生物群落共存模式探索

近年来，高通量测序技术的飞速发展使人们对不同环境中复杂的微生物群落有了崭新的认识[5]。高通量测序技术的应用极大地扩展了现有的微生物基因序列信息。将高通量测序数据通过各种生物信息学、统计学工具进行分析，便可清晰描述生境中的微生物多样性、微生物群落组成甚至对不同生境中的微生物群落进行比较[72, 108]。通过测量生境中各种不同的生物或非生物因素，分析微生物群落或个体与环境因子之间的相关性，可揭示微生物群落的分布模式[72, 108]。然而，这样的研究仅仅着眼于群落的单一性质，它们能分析微生物群落时间或空间上的变异性，却忽视了在生境中共存的微生物个体之间直接或间接的相互作用。对微生物共存模式的研究有助于理解微生物之间的功能关联以及微生物的分布范围[178]，进而为微生物的分离培养提供理论基础。基于相关的网络分析已被广泛应用于包括社交、计算、生物科学等在内的各个领域，它能够探索复杂系统中各个实体之间的相关性[179]。一般说来，，绘制的网络关系图包括一系列点和边（点与点之间的连线），其中包含着重要的统计信息和结构特征。对这些信息进行系统分析，得以理解生态系统中群落组成与功能相互联系的潜在规则。

总结

在全球气候变化的大背景下，海洋中各种生源要素的循环受到越来越多的关注，微生物作为生物地球化学循环的主要执行者，在调节气候变化、改善生态环境的过程中起着至关重要的作用。微生物的多样性、地理分布模式及其对环境变化的响应是理解微生物所发挥生态功能的基本前提。本论文对我国近海包括渤海、北黄海、南黄海、东海北部和珠江口区域以及远洋即南太平洋环流区的微生物群落结构进行了分析和比较，并探讨了不同海区微生物群落变化的主要影响因素，对理解全球范围内微生物群落的分布模式有重要的意义。在此基础上，探索了我国近海沉积物中复杂微生物种属之间的相互作用模式，为进一步理解微生物所介导的生物地球化学反应提供理论基础。使用 454-焦磷酸测序和流式细胞术分析珠江口水体的微生物群落组成，发现无论对于细菌还是古菌，淡水区域表底层水样品的微生物群落无明显区别，且均与咸水区域表层水和咸水区域底层水样品构成独立的三簇。细菌 β-变形菌纲、奇古菌 MG-I 类群是淡水区域的优势类群，而聚球藻属（蓝细菌门）和 SAR11（α-变形菌纲）、海洋螺菌目（γ-变形菌纲）分别占据咸水区域的表底层水。MG-I 类群在咸水区域表底层水中均有分布，但其丰度低于淡水区域。对 MG-I 不同类群进行系统发育树构建，发现了一个新的分支（MG-I ν）。MG-I α II-1 和 MG-I λ II是淡水区域的两个优势亚类群。不同 MG-I 亚类群的栖息地偏好性对于理解该类群的进化关系具有重要的指导意义。广古菌门 MG-II 类群在咸水区域占据明显优势，且其所属不同类群在表底层水中具有差异分布。
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参考文献（略）