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《上海交通大学》 2009年
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太湖富营养化水体和底泥中微生物群落的分子生态学研究

叶文瑾  
【摘要】: 20世纪以来,富营养化问题已经影响全球许多的淡水湖泊。而水体富营养化的显著特征就是在春夏季节会出现大规模的蓝细菌水华,其不仅严重破坏了水体中微生物的生态结构,同时会产生大量毒素,给公共安全带来重大的威胁。当前,我国湖泊的富营养化问题是非常突出的,但是对富营养化湖泊中微生物群落进行系统性的生态学特征研究却非常有限。因此,了解富营养化水环境中微生物群落的变迁,尤其是对水华的“罪魁祸首”蓝细菌的追踪,显得非常的必要,这将有助于人们全面认识蓝细菌水华暴发的过程以及富营养化对整个水生态系统的影响。 本研究中,以典型的富营养化湖泊——太湖作为研究样本,通过克隆文库、DGGE指纹图谱和荧光定量PCR等分子生物学手段相结合,对太湖水体和底泥中的微生物群落结构和丰度进行研究,尤其是对蓝细菌群落变迁作了较为详细和系统的阐述,旨在揭示太湖水体中重要微生物(如蓝细菌)的群落结构和数量的动态变化规律,以及太湖长期的富营养化对底泥生态系统的影响,从而对太湖蓝细菌水华暴发、发展的机理有更全面的认识,为治理和控制太湖的富营养化问题提供理论依据。 对太湖梅粱湾水域进行了为期一年的取样研究,基于16S rRNA基因特异性片段,并结合DGGE指纹图谱和荧光定量PCR技术对水体中蓝细菌群落结构和数量的动态变化进行了研究。结果显示:水体中蓝细菌群落是随季节变化而有所变迁的,其中夏季和冬季样品中的蓝细菌群落结构构成2个特征类群,而春季和秋季样品中蓝细菌的群落结构有很大的相似性。Synechococcus(聚球藻)和Microcystis(微囊藻)是夏季太湖水华暴发中占优势的蓝细菌,它们的大量生长很可能抑制了水体中其他蓝细菌的生长,从而导致了蓝细菌群落在水华暴发期间多样性的下降。在太湖水华暴发的过程中,Synechococcus和Microcystis显示了不同的生长动力学特征。在太湖蓝细菌水华暴发的初期,Synechococcus的生长速度大于Microcystis的生长速度;在水华暴发的后期,Microcystis的生长速度大于Synechococcus的生长速度;而当水华暴发结束后,太湖水体中Microcystis的降解速度要慢于Synechococcus。 基于mcyA-Cd基因片段,对太湖水体中产微囊藻毒素(MC)蓝细菌的群落结构和丰度进行了研究,研究表明:太湖梅粱湾水域中产MC的蓝细菌几乎都属于Microcystis属。全年中产MC蓝细菌群落的多样性是随着水华的暴发而变化,水华暴发期中产MC蓝细菌群落的多样性高于非暴发期内产MC蓝细菌群落的多样性;而在水华暴发期间,暴发的前期(5月~6月)产MC蓝细菌的多样性要高于水华暴发后期(7月~10月)的产MC蓝细菌的多样性。同时,产MC蓝细菌群落结构的迁移滞后于水华暴发的程度。对太湖水体中产MC蓝细菌的mcyA-Cd基因片段定量的结果显示,太湖水体中产MC蓝细菌的数量随着水华的暴发急剧增加,在5月~10月水华暴发期,产MC蓝细菌的数量是相当高的;而在冬季非水华暴发期,水体中没有检测到MC的含量,但是mcyA基因仍然能检测到,显示了MC的潜在威胁在水华暴发期和非暴发期都是存在的。太湖水体中产MC蓝细菌的数量和MC的浓度之间并没有显示出显著相关,但产MC蓝细菌数量峰值的出现滞后水体中MC含量峰值的出现。 在对太湖不同深度的6个底泥样品中沉积的蓝细菌群落结构和丰度进行了研究显示,太湖底泥中Microcystis和Synechococcus在整个蓝细菌的群落中呈现了很高的多样性,它们的数量是随着深度增加而减少。太湖底泥中Microcystis和Synechococcus的分布特征显示,随着太湖水体的富营养化程度从中营养向超富营养转变,Synechococcus也如同Microcystis一样也开始成为太湖水华中占优势的蓝细菌,并在水华暴发时有趋势超越Microcystis的数量。 通过综合运用克隆文库、DGGE和实时荧光定量PCR等分子手段,结合16S rRNA基因同源性分析,对太湖不同深度的底泥中细菌和古菌群落结构和丰度的分布特征作了系统性研究,结果显示,太湖底泥中营养物质负荷的升高对细菌群落结构的影响较小,其不同深度的底泥样品之间细菌群落的结构相对还是比较相似的,其中δ-变形菌纲和Nitrospira(硝化螺菌)在底泥样品中呈现了很高的多样性。同时结果显示,底泥中细菌的数量随着底泥深度的增加也略有增加。太湖底泥样品中古菌群落主要由广古菌门和泉古菌门组成,其中产甲烷菌是一类重要的古菌群落,它们在底泥样品中显示了很高的多样性。古菌在不同深度的底泥样品中群落结构的变化比较大,但其数量水平并没有显示受到富营养化的显著影响,不同深度底泥中的古菌丰度变化相对不大。但和其他的中营养湖泊相比,太湖底泥中古菌的数量在原核生物中所占的比例提高了许多。同时发现,氨氧化古菌存在于太湖较深的底泥样品中。而太湖底泥中Nitrospira呈现了很高的多样性,并且Nitrospira的数量随着底泥深度的增加而减少。同时,和水样相比,Nitrospira更容易在泥样中发现。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:X172

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1 叶文瑾;太湖富营养化水体和底泥中微生物群落的分子生态学研究[D];上海交通大学;2009年
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