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和尚洞风化岩壁细菌、真菌群落组成特征及解磷微生物研究

周健平  
【摘要】:微生物与矿物相互作用是地质微生物研究的一个核心领域。矿物不仅可以作为微生物的栖息场所,还可以为微生物生长代谢提供营养物质及电子供受体等,其物理性质及化学组成特征深刻影响到微生物的群落组成;同时,微生物的代谢活动对矿物的溶解和形成也有重要的影响。微生物参与磷酸盐矿物风化的研究一直以来都是微生物与矿物相互作用研究的热点之一。由于磷是生物体生长代谢所必须的营养元素,因此磷酸盐矿物的微生物增溶作用可以提高环境中生物体可利用磷的含量,对维持生态系统的稳定有着重要的意义。目前对地表自然环境中解磷微生物的研究十分广泛,但对地下生物圈中解磷微生物的研究则十分薄弱。喀斯特洞穴是指可溶性岩石中因水岩相互作用所形成的地下空间,是研究地下生物圈微生物多样性及地质微生物过程的天然实验室。本研究以湖北清江和尚洞(典型喀斯特洞穴)为例,按照岩壁不同的风化特征以及矿物组合特征,对岩壁进行了分层采样,利用X射线粉晶衍射技术(XRD)对矿物组合特征及含量进行了分析,同时采用高通量测序分析技术研究了典型喀斯特洞穴岩壁风化层中细菌及真菌多样性特征,并探讨了岩壁风化层中矿物组成对岩壁细菌及真菌群落的影响,最后对洞穴中的解磷细菌和真菌进行了分离、培养和解磷能力测定的实验,为深入了解洞穴生态系统中微生物多样性特征、微生物与矿物相互作用及解磷微生物的分布提供依据。本论文取得的主要进展如下:1)和尚洞岩壁风化物按照颜色和硬度可分为风化表层、硬壳层及松散层。对比不同风化层的理化特征可发现风化物表层和松散层TOC含量较硬壳层更为丰富,p H近中性且差异不明显。对岩壁风化物中矿物组成分析可发现在靠洞口强光带岩壁风化层中次生矿物种类较少,矿物主要为白云石、方解石、镁方解石及霰石等碳酸盐矿物和石英。而洞穴内部弱光带及洞穴底部无光带矿物种类较为丰富,除了碳酸盐矿物和石英外,还含有较多的磷酸盐矿物如羟磷灰石、氟磷灰石及白磷钙石,而伊利石及石膏也少量出现。DCA分析结果表明洞穴岩壁矿物组成存在着极强的空间以及层间差异。2)细菌高通量测序分析表明洞穴岩壁风化物中细菌群落一共有32个门,其中放线菌门(Actinobacteria)含量最为丰富,其相对丰度约为52.14%,其它较为丰富的还有绿弯菌门(Chloroflexi,10.95%)、浮霉菌门(Planctomycetes,10.29%)及变形菌门(Proteobacteria,8.85%)。高通量注释结果表明岩壁风化层细菌群落中只有17.33%的序列能注释到特定菌属,而在已鉴定到的菌属中常见的解磷菌属有Streptomyces、Bacillus、Pseudomonas、Agrobacterium、Serratia及Flavobacterium,但它们的相对丰度都比较低,含量最高的Streptomyces的平均丰度只有0.20%,而6个解磷菌属累计约占细菌总丰度的0.40%。根据ACE推算值预测和尚洞岩壁样品中细菌物种数在1482到2692之间,香浓指数表明岩壁样品中细菌多样性在5.83至9.01之间,方差分析结果表明不同采样区及不同的风化层样品细菌丰富度及多样性差异不显著。利用加权的unifrac距离做NMDS分析表明:不同采样区之间,强光区岩壁风化层中细菌群落组成与弱光及无光区差异较为明显,而弱光区与无光区细菌群落差异较小。对比不同风化层之间细菌群落差异特征可发现相同采样区内不同风化层之间存在着细微的差异。对洞穴岩壁风化层的多种矿物组分及TOC含量、p H值与岩壁细菌群落组成进行RDA分析,结果表明只有TOC含量(p=0.006)和磷酸盐矿物组分显著影响(p=0.022)岩壁细菌的群落组成。3)真菌高通量测序分析表明岩壁风化层仅含有5个真菌门类,分别为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、球囊菌门(Glomeromycota)、Rozellomycota以及接合菌门(Zygomycota)。其中子囊菌门占绝大多数,平均相对丰度约为91.03%,其下粪壳菌纲(Sordariomycetes)含量最为丰富,其平均相对丰度高达(45.89%),其它含量较为丰富的还有座散囊菌纲(Eurotiomycetes,9.50%)及座囊菌纲(Dothideomycetes,8.90%)。真菌群落中40.92%的序列可以鉴定到特定菌属,其中所含常见解磷菌属有Penicillium、Aspergillus及Fusarium,解磷菌属Penicillium含量相对较高,平均相对丰度约为7.00%,而Aspergillus和Fusarium的含量则比较少,二者的平均相对丰度分别为1.00%和0.33%。根据ACE推算值预测和尚洞岩壁样品中真菌物种数在308到569之间,香浓指数分析表明岩壁样品中真菌多样性在0.20至4.15之间,方差分析结果表明不同采样区及不同的风化层样品中真菌丰富度及多样性指数差异不显著。利用加权的unifrac距离做NMDS分析表明:不同采样区之间,强光区的样品与弱光区及无光区的样品真菌群落差异较为明显,而不同风化层之间差异不明显。对洞穴岩壁风化层的多种矿物组分及TOC含量、p H值与岩壁真菌群落组成进行RDA分析,结果表明只有磷酸盐矿物组分(p=0.012)对真菌菌群落组成影响显著。4)利用PVK培养基对岩壁不同采样区微生物解磷作用观察可以发现强光区及弱光区岩壁样品微生物解磷作用强于无光区。利用R2A及PDA培养基对洞穴岩壁可培养细菌及真菌进行分离纯化培养后,挑取菌落形态特征差异较为明显的菌株分别在固、液NBRIP培养基上进行溶磷功能测试,本次实验一共对来自洞穴不同采样区的39株细菌及28株真菌进行解磷功能研究,结果表明:固体培养基中培养7天后细菌除HSD-Bi10外,其余菌株都不能产生肉眼可见的溶磷圈,而利用固体培养基对真菌解磷效果观察时可发现HSD-F1~3、HSD-F10、HSD-F12~13、HSD-16~17、HSD-F21~22共10株真菌可产生溶磷圈。在液体培养基中细菌培养7天后培养液可溶性磷含量在2.21~394 mg/L之间,其中菌株HSD-Bi6、HSD-Bi10、HSD-Bi25、HSD-Bi28及HSD-Bi31五株细菌培养液中可溶性磷的含量超过20 mg/L,远大于对照体系中的3.47 mg/L,而解磷真菌在培养7天后培养液中可溶性磷在1.25~399 mg/L之间,其中菌株HSD-F3、HSD-F6、HSD-F10~13、HSD-16~17、HSD-21~22以及HSD-F26十株真菌培养液中可溶性磷的含量超过20 mg/L。培养液p H测定结果表明解磷菌株培养体系中p H值在培养7天后均有下降;通过菌落形态观察及细菌16S r DNA及真菌ITS序列鉴定结果表明解磷细菌主要为芽孢杆菌属(Bacillus)、链霉菌属(Streptomyces)、伯克氏菌属(Burkholderia)及假单胞菌属(Pseudomonas)细菌,而解磷真菌主要为黑曲霉(Aspergillus niger)、青霉菌属(Penicillium)真菌。综合以上研究结果表明,洞穴风化岩壁中含有丰富多样的细菌门类及子囊菌门真菌,且不同采样区之间细菌及真菌群落差异明显。洞穴风化岩壁含多种次生碳酸盐及磷酸盐矿物,且呈现出一定的空间和分层特征,其中磷酸盐矿物显著影响岩壁细菌及真菌的群落组成。基于分离培养及高通量测序结果都表明洞穴风化岩壁中含有多种解磷细菌及真菌,解磷机制多与培养液酸化有关。论文结果对深入了解洞穴乃至地下生物圈中微生物多样性及解磷微生物的研究具有重要参考意义。


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