咸淡水过渡区中地下水微生物群落结构与多样性特征研究

发布时间：2020-11-20 16:30

　　 海水入侵作为全球问题,是滨海地区主要环境灾害之一。其判别指标和监测方法的确定,直接关系到是否发生海水入侵以及对入侵程度的评价。本工作以龙口市为主要研究区,大沽河为辅助研究区,通过野外监测和定期取样,利用高通量测序方式探究了研究区咸淡水过渡区中地下水微生物群落多样性、结构、相互作用关系和功能特性在时间(季节)与空间(纬度)上的特征,同时结合物化指标与室内培养实验,证明微生物分析是一种可用于研究海水入侵的方法。在研究结果的基础上得到的主要结论如下:1)龙口市研究区咸淡水过渡区中地下水的Cl~-和TDS由海岸向内陆方向呈下降趋势,咸淡水界面位置在监测点DZ2与DZ3之间。灌溉水中微生物群落的多样性最高,海水最低。地下水微生物群落受多种环境因子影响,DO是影响其多样性与结构分布的重要因素。海洋螺菌目(Oceanospirillales)和交替单胞菌科(Alteromonadaceae)可作为海水入侵的微生物指标。2)季节性变化对龙口市研究区咸淡水过渡区中地下水微生物群落造成影响。食酸菌属(Acidovorax)和噬氢菌属(Hydrogenophaga)分别是枯、丰水期的优势物种,且变化与NO_3~-有关。TOC是影响枯水期地下水微生物群落多样性和结构的主要因素,而NO_3~-在丰水期响应显著。DO和地下水位在两个季节对微生物群落都有较大的影响。海水入侵的增强降低了微生物网络规模,丰枯水期微生物间的相互作用差异明显,枯水期的连接更为紧密。3)不同海岸带咸淡水过渡区中地下水微生物群落差异明显。大沽河研究区受海水入侵影响严重,龙口市研究区存在明显的阳离子交换作用。龙口市研究区的反硝化细菌高于大沽河研究区,而后者具有硫酸根离子还原能力的细菌高于前者。两个研究区微生物功能特性差异显著,龙口市研究区微生物代谢功能高于大沽河研究区。4)在模拟实验中,微生物群落多样性在海水含量为2.5%和75%环境下表现为最高和最低。咸淡水驱替作用的增强对群落多样性有促进作用。黄杆菌科(Flavobacteriaceae)和红杆菌科(Rhodobacteraceae)与海水含量呈显著正相关,证明其可作为海水入侵的新指标。强驱替作用对微生物群落功能特性有较大影响,所处环境中海水含量越低,其影响越大,而弱驱替作用对其影响较小。本研究对于以微生物作为新式海水入侵指标有着重要的科学意义,为深入理解沿海含水层生态系统的结构与功能提供科学依据。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：Q938
【部分图文】：

为了更直观显示出七组实验样品微生物在属类水平上的差异与趋势,以热图的形式表示丰度值,如图6-3。其中假单胞菌属(Pseudomonas),食酸菌属(Acidovorax),假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas),鞘脂单胞菌属(Sphingomonas),枝动杆菌属(Mycoplana),微小杆菌属(Exiguobacterium),苯基杆菌属(Phenylobacterium)和鞘脂菌属(Sphingobium)存在于全尺度SC(%)范围(0~100%)内;噬氢菌属(Hydrogenophaga)仅存在于SC(%)范围为0~10%内;鼠孢菌属(Sporomusa)仅存在于淡水环境中;沉积物杆状菌属(Sediminibacterium)和溶杆菌属(Lysobacter)存在于SC(%)低于25%的环境内;Maricaulis属,鼠尾菌属(Muricauda)和Winogradskyella菌属存在于SC(%)高于25%的环境内;Diaphorobacter菌属,固氮根瘤菌属(Azorhizobium)和不粘柄菌属(Asticcacaulis)存在于SC(%)低于50%的环境内;弧菌属(Vibrio),Nautella菌属和Balneola菌属存在于SC(%)高于50%的环境内。

在功能分类1水平上,发现的主要功能基因簇有七大类,包括:细胞转化(Cellular Processes),环境信息处理(Environmental Information Processing),遗传信息处理(Genetic Information Processing),人类疾病(Human Diseases),新陈代谢(Metabolism),有机系统(Organismal Systems),未分类(Unclassified)。在功能基因分类2水平上,占据较大的比重的功能基因簇有:膜转运(Membrane Transport),氨基酸代谢作用(Amino Acid Metabolism),碳水化合物代谢作用(Carbohydrate Metabolism),复制和修复(Replication and Repair),能量代谢作用(Energy Metabolism),细胞运动(Cell Motility)等(图6-6)。通过实验数据与野外实测数据进行对比可以发现,两者在功能分类2水平上的主要功能基因簇基本相同,这也侧向证明了室内实验数据的可靠性。对微生物群落功能基因分类水平2上的41种基因簇与SC(%)进行皮尔逊相关性分析,结果显示在表6-6中。在微生物群落功能方面,与SC(%)呈现显著相关(p<0.01)的基因簇有两个,分别是癌症(Cancers)和信号传导(Signal Transduction),前者是正相关,后者为负相关;有六种基因簇与SC(%)呈现正相关(p<0.05),包括氨基酸代谢(Amino Acid Metabolism)、心血管疾病(Cardiovascular Diseases)、细胞通讯(Cell Communication)、辅酶因子与维生素代谢作用(Metabolism of Cofactors and Vitamins)、神经系统(Nervous System)和神经退行性疾病(Neurodegenerative Diseases);两种基因簇与SC(%)呈现负相关(p<0.05),分别是细胞运动(Cell Motility)和细胞过程与信号作用(Cellular Processes and Signaling)。

结合16S rDNA测序数据,利用PICRUSt对实验二样品微生物的功能进行预测,并比较各组功能特性差异。在功能分类1水平上,同样发现的主要功能基因簇有七大类,与实验一结果一致。在功能分类2水平上,占据较大的比重的功能基因簇有:膜转运(Membrane Transport),氨基酸代谢作用(Amino Acid Metabolism),碳水化合物代谢作用(Carbohydrate Metabolism),能量代谢作用(Energy Metabolism),复制和修复(Replication and Repair)等(图6-10)。强驱替组和弱驱替组与控制组之间的微生物群落功能基因差异如图6-11所示。根据结果可以得出弱咸淡水驱替作用对微生物群落功能特性的影响不大,P4与P5两组实验样品都显示相同的结果,而强咸淡水驱替作用对其功能特性有一定影响。在P4实验组中,强驱替作用显著改变了微生物功能分布特性,使得P4.3与P4.1和P4.2存在差异;在P5实验组中,强驱替作用对微生物功能分布特性的改变不显著,使得P5.3与P5.1和P5.2差异不明显;且P4.3的功能分布特性与P5.3类似,说明强驱替作用对微生物群落功能特性有影响,SC(%)含量越低,其影响越大。换句话说,环境微生物受到扰动越强烈,其功能特性变化越显著。
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本文编号：2891691