河口区沉积微生物对水体富营养化过程的响应研究

发布时间：2020-10-27 19:07

　　 河口区是连接陆地和海洋的桥梁,是元素生物地球化学循环研究的热点区域。探索河口系统中有机质的特征及其归宿对于评估区域以及全球尺度上“碳埋藏”的效率具有至关重要的意义。特别是富营养化造成的河口初级生产力的变化会显著地改变有机质的来源和性质,影响有机质在河流一河口运输过程中的微生物降解和改造过程以及碳埋藏效率和通量,是当前全球碳循环研究的热点和薄弱环节。本论文以小清河-莱州湾为研究靶区,对表层沉积物中有机质的分子组成特征进行了系统分析,探讨了小清河口-莱州湾沉积有机质来源、成分的空间性和季节性分布特征及其控制因素;采用理化指标和微生物群落多样性、功能基因丰度相结合的手段剖析了初级生产力叠加效应的背景下河口有机质快速周转的分子机制;最后以潮汐作用下寡营养岸滩周期性海上溢油输入为楔机,模拟了极端条件下有机碳动态输入过程对微生物菌群结构和功能的定向调控作用。主要认识有如下:1.小清河-莱州湾水体总有机碳(TOC)含量显著高于长江、黄河、珠江等河流,总氮含量严重超标,沉积有机质具有多源复合特征。高丰度地质构型甾烷、萜烷、以及多环芳烃的检出指示古老地层或化石燃料等成熟有机质的输入特征;粪甾醇分布特征揭示了流域内畜禽养殖废水以及未经处理直接排放的工业污水是其污染重要特征之一。2.小清河-莱州湾沉积有机质源的分布呈现出显著的空间性和季节性差异。空间上受盐度控制,从河流至河口,陆源有机质输入减少,海相藻类初级生产力输入增加,有机碳同位素从-26.1‰增加至-23‰。季节上表现为夏季受高初级生产力影响,藻类生源有机质显著增加,低碳数正构烷烃相对比例提升约30%。类脂组分烃类气相色谱中不可辨析化合物(UCM)的分布揭示春季和夏季沉积物有机质经历了不同生物降解过程,春季样品UCM出现在高碳数部分,更多的是指示成熟有机质古生物降解过程;夏季样品不仅在高碳数区域存在UCM,而且在低碳数部分出现一个更为显著的UCM,可能代表了原地藻类生产力有机质被降解的过程。3.小清河-莱州湾沉积物中微生物群落结构空间异质性明显。河流站位以β变型菌 Betaproteobacteria、梭菌 Clostridia 和放线菌 Actinobacteria 占优势,黄杆菌Flavoftbacteria和蓝细菌Cyanobacteria则在河口区明显富集。泉古菌Crenarchaeota,Thermoloasmatain和一些属于MBGB和MCG组在内的其他类群在夏季沉积物中相对丰度迅速提升,是两个季节微生物多样性差异的主要贡献者。统计结果揭示有机碳的“量”是春季微生物群落结构最主要的制约因子,有机碳的“质”是夏季微生物群落最主要的制约因子,并且微生物群落分布具有季节性差异大于空间性差异特征。4.小清河口微生物菌群对有机碳降解潜力呈现出夏季高于春季。夏季样品中好氧烷烃和芳烃降解的基因富集,且基因表达量与易降解有机碳的绝对浓度和相对含量均呈现出显著的正相关,表明沉积微生物对夏季高初级生产力产生的烃类组分具有良好的响应,其机理可能与“激发效应”有关。5.以潮汐作用下寡营养岸滩周期性海上溢油输入为原位实验,发现烃类降解效率与降解基因丰度存在显著耦合效应,进一步揭示有机碳输入可以定向的调控岸滩微生物群落结构,导致优势降解菌群的典型演替特征:以烷烃降解菌海洋螺菌目Oceanospirillales和放线菌目Actinomycetales逐渐演替为交替单胞菌目Alteromonaiidales、根瘤菌目 Rhizobiales 和色菌目 Chromatiales。从一个侧面验证了自然环境中“激发效应”的存在。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X52;X172
【部分图文】：

１．?１全球碳循环模型示意图（计量单位：ＰｇＣ）。数据和图片引用自Ｂｉａｎｃ）。??ｉｇｕｒｅ?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｇｌｏｂａｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｃｙｃｌｅ?ｍｏｄｅｌ?（ｕｎｉｔ?ｏｒｅｍｅｎｔ：?ＰｇＣ）．?Ｄａｔａ?ａｎｄ?ｐｉｃｔｕｒｅｓ?ａｒｅ?ｍｏｄｉｆｉｅｄ?ｆｒｏｍ?Ｂｉａｎｃｈｉ?（２０１１）．??ｌ??

生产的有机碳在河口区经过混合、埋藏、再悬浮、降解以及转运等一系列过程之??后，以可溶有机碳（ＤＯＣ）和颗粒态有机碳（ＰＯＣ）的形式输送到海洋或者以Ｃ０２??的形式排放到大气中，共同构成了近海碳循环的通路（图１．１）?（ＨｅｄｇｅｓａｎｄＫｅｉｌ，??１９９９，?Ｍｉｄｄｅｌｂｕｒｇ?ａｎｄ?Ｈｅｒｍａｎ，?２００７?）〇??陆源有机碳主要经由河流－河口系统的运输进而保存在海洋环境中，然而，??准确的评估河口区有机质的周转效率和通量仍然是困扰海洋学界的难题之一，尤??其是陆源有机碳在河口的归宿及控制因素在国际上仍存在广泛争议（Ｈｉｌｔｏｎｅ＾／．，??２０１０；?Ｃａｉ?２０１１；?Ｇａｌｙ＆Ｅｇｌｉｎｔｏｎ?２０１１；?Ｈｉｌｔｏｎ?衫２０１１）。针对?ＤＯＣ?而言，每年??河流输入ＤＯＣ的总量足够更新全球海洋中的ＤＯＣ?（自然更新周期约４０００－６０００??年，Ｗｉｌｌｉａｍｓ＆Ｇｏｒｄｏｎｌ９７０），但是海洋中陆源ＤＯＣ?（ＴＤＯＣ）只占了很小的部??分，表明?ＴＤＯＣ?的消耗速率远超预期（Ｈｅｄｇｅｓｅｆａ／．，?１９９７；Ｏｐｓａｈｌ＆Ｂｅｎｎｅｒｌ９９７；??Ｃｏｌｅ?２００７）。从ＰＯＣ的角度而言

氧条件下河口有机质的保存机制提供了新的视角（Ｊｅｓｓｅｎｅｒｆｌ／．，２０１７）。越来越多??的工作表明，通过微生物生态学和分子地球化学结合的手段，加上信息学的技术??的功能预测成为研究河口碳循环机理的新的趋势（图１．３），形成了以有机化合物??定量和微生物高通量筛选为代表的研究思路。??１９６５?１９７０?１９７５?１９８０?１９８５?１９９０?１９９５?２０００?２００５?２０１０?２０１５??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｓ－Ｕｄ，ｅｓ?ｆｅｍｍｕｎｒｔｙ??晴咖‘?Ｇ?娜丨《?Ｍｅ，ａｂｏ，ｏｍ，ｃｓ??Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ?Ｅｃｏｌｏｇｙ?ｉＭｅｔａ－ｉ?Ｐｒ〇，ｅ〇ｍ＾??Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ?ｃｏｍｐｏｕｒ＞ｄｓ??ｆｒｏｍ?丨丨??Ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ?ｃｉａｔｓｔｔｉＧＣＭｓ．?ｌｃ?ｍｓ＞????，．?Ｔｈ９ｕｗｒ?ｃ＊?Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ??＾?＇：＾４－細咖贈?＿，ｓ?—?二ｒｅ??ａｎａｌｙｓｉｓ?Ｉｓｏｔｏｐｅ?ｓ＾ｇｎａｔｕｒｔｓ?ｏｆ??Ｃｈ？ｍｉｃｊｌ?ｔｎｄｆｖｉｄｕＡｌ?ｃｏｍｐｏｉｍｄｓ??ｃｈａｒａｃｔｅｎｚａｔｉｏｎ?（ＮＭＲ）?（６Ｃ－ＩＲＭＳ）?Ｂ??Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ?ＲＰ
【参考文献】

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本文编号：2858925