深海热液口硫化物及沉积物微生物多样性及其与环境相互关系研究

发布时间：2020-07-15 02:55

【摘要】： 热液口生态系统自从1977年发现以来,被誉为“生命绿洲”。热液口生态系统的发现使人们对“生物圈”的认识有了进一步的了解。热液喷发物含有大量的化学物质和能量,由此孵育了耐高温、高压和分解有毒气体并且不依靠太阳能生活的大量生物。这个生态系统的环境特征被认为与地球生命形成早期的环境特征相似,因此研究热液生命系统中的嗜压、嗜热等极端微生物无疑具有重大的意义。古菌的氨氧化作用是在2005年以来发展的新课题。一直以来,科学家认为β-和γ-类型的细菌在氨氧化作用中占主导地位,古菌并不具备氨氧化的功能。但在2005年科学家通过基因组的研究发现古菌16S rRNA与类似细菌amoA的基因并排排列。同年分离得到了以氨为唯一能量来源的中温泉古菌,使得古菌能够进行氨氧化这一理论得到证实。随之而来的问题是,在其他生态系统中,是否也存在古菌的氨氧化作用?其多样性如何?不同生态系统古菌与细菌的氨氧化作用如何?哪些类型的古菌具有氧化氨的功能? 本论文以2005年Atlantic/Alvin科学考察船中美联合取样得到的硫化物和同年中国“大洋一号”科学考察船取得的热液区沉积物样品为实验材料,对3个硫化物和15个沉积物样品进行氨氧化古菌的多样性及定量分析,并对2个硫化物和墨西哥湾沉积柱的甲烷菌进行多样性调查。对硫化物氨氧化古菌的多样性分析表明热液口硫化物的氨氧化古菌多样性并不丰富,但是序列比较特异。温度较低的样品的多样性比较丰富,温度较高的样品的多样性较低。所有3个样品的克隆子分成两个类型,定义为Chimney Group I和Chimney Group II。两个类型间序列具有明显的区别,平均相似性为80%。其中Chimney Group I与日本海的沉积物有较高的同源性(94%),而Chimney Group II与NCBI基因库的克隆子最高同源性也仅为89%。说明这个类型的克隆子序列比较新,有可能是存在于热液口硫化物中的特异氨氧化古菌。对硫化物的一个样品进行古菌16S rRNA的多样性分析表明氨氧化古菌并不属于MG1。16S rRNA来自嗜热泉古菌Desulfurooccales、Thermoproteales和Thermococcales。定量分析也表明氨氧化古菌amoA基因与古菌16S rRNA基因的拷贝数比例为6:94,这样的一个比例应该是比较容易的检测到,所以有可能这个样品中的氨氧化古菌与MG1并无关系。对热液口沉积物的古菌amoA基因及古菌16S rRNA的多样性分析表明,古菌amoA序列与深海来源的克隆子序列有比较高的同源性,表明热液口沉积物与深海沉积物的氨氧化古菌有相似起源。同样对16S rRNA多样性的分析表明,热液口沉积物的克隆子全部属于MG1,因此热液口沉积物的氨氧化古菌可能来自MG1这个广泛存在的类型。在热液口沉积物与西太平洋暖池区沉积物的比较中,两者有比较大区别,两者的OTUs类型完全独立,不互相包含。此外暖池区沉积物中部分克隆子来自Marine Bethic Group。说明热液口沉积物与其它沉积物的氨氧化古菌还是有比较大区别。通过Real-Time PCR定量分析所有沉积物样品(16个)中的古菌16S rRNA、AOA-amoA和AOB-amoA。结果表明古菌amoA基因在沉积物中的含量丰富,且与细菌amoA的含量相似或更高,表明在热液口沉积物中古菌氨氧化比细菌氨氧化的作用更重要。在热液口沉积物中的氨氧化古菌16S r RNA基因数量从4.598×10~4拷贝/克(干重)～7.027×10~7拷贝/克(干重),古菌amoA基因数量从4.597×10~4拷贝/克(干重)～6.701×10~6拷贝/克(干重),细菌amoA基因的数量从1.182×10~4拷贝/克(干重)～2.302×10~6拷贝/克(干重),氨氧化古菌与氨氧化细菌的数量比值在0.75～170之间。相关性分析表明古菌16S rRAN与古菌amoA基因存在相关性(r=0.652,n=16,P㩳0.01),古菌amoA拷贝数与有机物含量(包括有机氮、有机碳、有机质)、无机氮、总氮、及NH4+、NO3-、NO2-和硝化潜势、pH值有显著(P㩳0.01)或相关(P㩳0.05)关系,细菌amoA拷贝数与有机质含量、无机氮、总氮、及NH_4~+、NO_3~-、NO_2~-和硝化潜势、pH值有显著相关(P㩳0.01)或相关(P㩳0.05)关系。古菌amoA基因数量与细菌amoA基因数量间也存在显著相关(P㩳0.01,12个位点)或相关(P㩳0.05,4个位点)关系。此外本论文利用甲烷菌辅酶M的编码基因mcrA对热液口硫化物及墨西哥湾沉积物的甲烷菌群进行多样性调查,结果发现在这两个甲烷含量丰富的地区甲烷菌类型完全不同。在热液喷发成因的热液口地区,甲烷产生菌占主导地位;在热成因墨西哥湾地区,甲烷氧化菌占主导地位。本论文回答了前文提出的氨氧化古菌在洋脊热液区生态系统中的生态多样性及生态作用问题,无疑对古菌氨氧化作用的研究更进了一步,也必将推动古菌氨氧化作用的更深入的研究。同时本文以热液口样品为研究对象,对揭示热液口生态系统起到了一定的作用。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703
【图文】：

区域分布,热水活动,区域分布,热液

图 1-1 世界上主要的热水活动区域分布图Fig. 1. The global distribution areas about the seafloor hydrothermal activities1.2.2 热液口周围生态环境的成因研究发现，大洋地壳上的海液循环是在热液口周围环境中生成热液喷口的主要过程。在大洋扩张中心，由于活跃的海底扩张带对热收缩和地震断陷的响应而产生断裂和裂缝，这样海水就沿着新形成的大洋地壳的断裂和裂缝深深地渗入大洋地壳。一小部分循环水靠近高温的岩浆房，由于热传导的结果，使这部分水的温度由 2℃升高至 400℃以上。这一机制驱动了热液对流系统并产生海底黑烟柱。大洋中脊热泉喷出的热液进入海洋水体后，在热浮力作用下迅速上升，并与周围海水混合，热液组分浓度迅速稀释至原有的 10-4～10-5倍[14]。混合后的流体在达到中性浮力前可上升数百米，同时发生侧向扩散，其扩散范围在空间尺度上可达数千公里，形成热液流。热液流的物理和化学特性与周围海水区别鲜明，通

工作流程图,工作流程

输出末端限制性片段的大小和强度图。测序仪上输出的图谱含有的不同波峰越多，则表明微生物种类越丰富。通过比较不同样品图谱间的峰的异同，可以为评估样品微生物多样性提供更敏感的数量化基础，从而为比较样品之间的关系提供一种依据。但是单纯的 T- RFLP 可以提供微生物的种类和相对数量的信息。但是还无法确定是何种微生物，定性信息不足[109]。结合克隆文库分析[110-111]或者核酸杂交分析[112]，就能确定微生物的种类。

热液区,沉积物

图 2-1 2005 年大洋一号采样的热液区沉积物采样图Fig.2-1 Sketch of samples’ locations in the world

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