若尔盖铀矿区土壤的微生物群落分布及对外源铀的响应

发布时间：2017-08-14 03:00

  本文关键词：若尔盖铀矿区土壤的微生物群落分布及对外源铀的响应

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【摘要】：土壤是微生物的大本营,重金属一旦污染土壤,将使得土壤微生物的生长代谢受到影响,导致微生物群落结构变化,生态平衡稳定性受到破坏。然而,对于重金属污染和微生物群落之间的关系在国内外相对研究较多,而污染土壤的微生物对再次胁迫的响应研究被忽视。本文对若尔盖铀矿区不同污染区域的土壤进行样品采集,全面调查了研究区域的微生物分布情况;采用外源铀对若尔盖铀矿区的土壤样品进行胁迫处理,通过BIOLOG-ECO生态板技术及MiSep测序分析技术研究了外源铀胁迫下,土壤微生物种群的变化规律;在相同的样品预处理下,较系统地研究了外源铀胁迫对土壤环境质量生物学指标之间的关系。主要研究如下:1、铀矿区微生物群落分布及与重金属赋存状态的关系:以若尔盖铀矿区不同污染区域的土壤和水作为样品,采用稀释平板法对样品中三大类微生物类群的种类及数量进行考察,结合样品理化性质分析该地区微生物的群落分布特性;采用16S rDNA序列分析技术和Biolog全自动微生物鉴定系统对优势菌株进行菌种鉴定,采用压力筛选法对优势菌株进行U(VI)抗性筛选。结果表明,该地区以好氧微生物为主,细菌和放线菌数量与普通土壤相似(细菌n×106cfu/g-n×108cfu/g·干土,放线菌n×104cfu/g-n×106cfu/g·干土),真菌数量(n×102cfu/g-n×104cfu/g·干土)比普通土壤(n×103cfu/g~n×105cfu/g·干土)偏少。在土壤垂直方向,三大类微生物数量随着土壤深度加深而减少,各采样点20cm深度微生物平均数量减少为表层的30%左右。从该研究区筛选得到了3株对浓度为120mg/L的铀具有较高耐受性的细菌。2、Biolog-ECO法分析铀矿区土壤微生物群落对外源铀胁迫的响应:采用BIOLOG-ECO生态板研究了土壤微生物群落代谢能力对外源铀胁迫的响应。结果表明,土壤微生物活性总体随着外源铀胁迫浓度的增大而减弱,胁迫浓度的增加可使土壤微生物群落Mclntosh指数降低,但是没有显著影响土壤微生物的Shannon指数和Simpson指数。微生物群落对氨基酸类碳源的利用能力最高,对酚酸类的碳源利用能力最低。主成分分析可知,TY02组土壤微生物主要影响对PC1和PC2贡献较大的碳源的利用,TY05组土壤微生物主要影响对PC2贡献较大的碳源的利用,而ty10组土壤微生物主要影响对pc1贡献较大的碳源的利用。对pc1和pc2贡献率较大的主要是利用碳水化合物的微生物群落。3、土壤细菌多样性对外源铀胁迫响应的misep测序分析:采用misep高通量测序技术,测定了外源铀胁迫下的土壤细菌属水平的变化情况。通过otu聚类分析,发现所选中的三个采样点的共有优势菌群12种(菌种数量占各细菌总数的1%以上),特有优势菌群14种(菌种数量占各细菌总数的1%以上),获得ty05采样点的独有细菌gracilibacter和lutispora。根据对三个处理组菌群otu的分析,找出三个处理组在不同外源铀胁迫处理后,各组的共有优势菌,从而分析得到部分对铀有较强耐受性的细菌,如subgroup_6_norank、gaiellales_uncultured、rb41_norank、actinobacteria_norank,gaiella等;得到部分对铀敏感的细菌,如microlunatus、bacillus、ensifer等;得到一些细菌如oxalobacteraceae_unclassified、paucimonas、geobacter等,随着外源铀胁迫浓度上升,菌群数量增加。4、外源铀胁迫对铀矿区土壤环境质量生物学指标的影响:对受到外源铀胁迫处理后的若尔盖铀矿区的土壤进行土壤生物学指标的测定,诸如重金属污染和微生物生物量、土壤酶、土壤代谢商、微生物商等之间的关系。结果表明,土壤微生物生物量碳、氮与总有机碳的相关性不显著,微生物生物量碳和微生物生物量氮与土壤重金属含量都呈显著负相关,微生物熵随着铀含量的增加有显著的降低趋势,微生物碳/氮比随重金属污染浓度增加而降低,代谢熵与重金属含量达到了显著性正相关水平,重金属污染对过氧化氢酶、脲酶和葡萄糖酶活性有一定程度的抑制作用。微生物分布方面,三组处理前后的土壤真菌数量依次降低了83%、71%、37%,土壤细菌数量依次降低了42%、24%、28%,放线菌数量依次降低了23%、11%、18%。结论:若尔盖铀矿区土壤微生物以好氧细菌为主,研究筛选出3株铀高耐受性细菌;在外源铀胁迫下,土壤微生物群落对氨基酸类碳源的利用能力最高,对酚酸类的碳源利用能力最低,微生物活性总体随外源铀胁迫浓度增大而减弱;在研究所选的典型土壤样品中,共检测出12种优势菌群和14种特有菌群,并获得ty05采样点的独有细菌gracilibacter和lutispora;土壤微生物生物量碳、氮与总有机碳的相关性不显著,微生物生物量碳、氮与土壤重金属污染浓度呈显著负相关,微生物熵、微生物碳/氮比与重金属污染浓度呈负相关,代谢熵与与重金属污染浓度呈显著性正相关,重金属污染对过氧化氢酶、脲酶和葡萄糖酶活性有一定程度的抑制作用。开展重金属胁迫对污染土壤微生物群落分组特性的研究对探索微生物在二次污染土壤环境中的生长分布规律,以及评价重金属胁迫的土壤生态质量有着重要的科学意义和应用前景。
【关键词】：重金属污染 微生物群落 BIOLOG-ECO MiSep高通量测序 土壤生物学指标
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X53;X172;X753
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 绪论15-25
• 1.1 铀矿污染15-16
• 1.1.1 铀矿污染现状15
• 1.1.2 铀矿污染的特点15-16
• 1.2 重金属污染与微生物变化的关系16-19
• 1.2.1 重金属对微生物的促进作用16-17
• 1.2.2 重金属对微生物的抑制和毒性作用17
• 1.2.3 微生物对重金属的转换作用17-19
• 1.3 土壤重金属污染对微生物群落的影响19
• 1.4 土壤微生物群落的分析方法19-22
• 1.4.1 传统微生物平板培养方法19-20
• 1.4.2 克隆文库分析法20
• 1.4.3 磷脂脂肪酸(PLFA)谱图分析法20-21
• 1.4.4 变性/温度梯度凝胶电泳(DGGE/TGGE)21
• 1.4.5 BIOLOG分析方法21-22
• 1.4.6 宏基因组学22
• 1.4.7 微热量热法22
• 1.5 本课题主要研究内容及技术路线22-25
• 1.5.1 研究内容22-24
• 1.5.2 本研究的实验流程图24-25
• 2 若尔盖铀矿区微生物群落分布及与重金属赋存状态的关系25-46
• 2.1 材料与方法25-29
• 2.1.1 样品采集25-27
• 2.1.2 培养基27-28
• 2.1.3 样品理化性质分析28
• 2.1.4 样品微生物分布调查28
• 2.1.5 优势菌株的种属鉴定28-29
• 2.1.6 数据分析29
• 2.2 结果与分析29-43
• 2.2.1 铀矿区地表水样理化性质29
• 2.2.2 铀矿区土壤理化性质29-31
• 2.2.3 铀矿区地表水样中的微生物分布31
• 2.2.4 铀矿区土壤中的微生物分布31-38
• 2.2.5 重金属化学形态与微生物群落结构的关系38-40
• 2.2.6 优势菌株的分离鉴定40-42
• 2.2.7 U（VI）抗性菌株的筛选42-43
• 2.3 小结与讨论43-46
• 2.3.1 不同污染环境中的微生物分布43-44
• 2.3.2 重金属化学形态与微生物分布的关系44-45
• 2.3.3 铀耐受性微生物45
• 2.3.4 小结45-46
• 3 Biolog-ECO法分析铀矿区土壤微生物群落对外源铀胁迫的响应46-58
• 3.1 材料与方法46-49
• 3.1.1 样品采集46
• 3.1.2 试验设计46-47
• 3.1.3 土壤理化指标的测定47-48
• 3.1.4 微生物功能多样性分析48
• 3.1.5 数据分析48-49
• 3.2 结果与分析49-56
• 3.2.1 外源铀胁迫对铀矿区土壤微生物群落活性的影响49-50
• 3.2.2 外源铀胁迫对土壤微生物群落多样性的影响50-51
• 3.2.3 外源铀胁迫对土壤微生物利用不同种类碳源能力的影响51-53
• 3.2.4 土壤微生物对碳源利用能力的主成分分析53-54
• 3.2.5 对PC轴上贡献率较大的碳源种类的变化分析54-56
• 3.3 小结与讨论56-58
• 3.3.1 外源铀胁迫下微生物群落活性56
• 3.3.2 外源铀胁迫下的微生物多样性56-57
• 3.3.3 外源铀胁迫下的微生物对碳源的代谢能力57
• 3.3.4 展望57-58
• 4 铀矿区土壤细菌多样性对外源铀胁迫响应的MiSep测序分析58-74
• 4.1 材料与方法58-61
• 4.1.1 样品采集58
• 4.1.2 试验设计58
• 4.1.3 样品检测58-59
• 4.1.4 生物信息分析流程59-61
• 4.2 结果与分析61-71
• 4.2.1 有效序列数据统计结果61
• 4.2.2 聚类与多样性指数61-63
• 4.2.3 稀释曲线63-64
• 4.2.4 原始土壤细菌菌群分析64-67
• 4.2.5 外源铀胁迫下土壤细菌菌群分析67-71
• 4.3 小结与讨论71-74
• 4.3.1 原始土壤菌群71-72
• 4.3.2 外源铀胁迫下的土壤菌群72-74
• 5 外源铀胁迫对铀矿区土壤环境质量生物学指标的影响74-82
• 5.1 材料与方法74-75
• 5.1.1 样品采集74
• 5.1.2 试验设计74
• 5.1.3 培养基74-75
• 5.1.4 环境质量生物学指标测定方法75
• 5.1.5 培养法分析铀胁迫土壤样品中微生物的分布75
• 5.1.6 数据分析75
• 5.2 结果与分析75-79
• 5.2.1 土壤重金属元素分析结果75
• 5.2.2 外源铀胁迫下的土壤微生物分布75-77
• 5.2.3 外源铀胁迫下的土壤代谢活性77-78
• 5.2.4 外源铀胁迫下的土壤酶活性78-79
• 5.3 小结与讨论79-82
• 5.3.1 外源铀胁迫对土壤生物学指标的影响80-81
• 5.3.2 外源铀胁迫对土壤酶活的影响81-82
• 结论82-84
• 本研究创新之处84-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-97
• 攻读学位期间发表的学术论文及研究成果97

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本文编号：670363