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环境因素对水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌群落的影响

朱超  
【摘要】:地杆菌和厌氧粘细菌是两类隶属变形杆菌δ亚纲的微生物Fe(Ⅲ)还原细菌,广泛分布于厌氧沉积环境,并且能够参于变价重金属的氧化还原、放射性金属元素稳定化及有机卤化物的生物代谢过程。鉴于地杆菌和厌氧粘细菌在环境修复以及微生物电池方面的重要作用,二者成为目前的研究热点。地杆菌和厌氧粘细菌具有代谢乙酸盐的特征,在厌氧条件下通过微生物Fe(Ⅲ)还原作用,能够有效地竞争电子供体使水稻土中依赖乙酸盐的产甲烷过程被抑制。目前,针对水稻土中微生物丰度和群落结构的研究多集中在产甲烷菌、氨氧化细菌和古菌等功能群落上,关于铁还原群落的丰度特别是其动态变化鲜有报道。结合我国丰富的水稻土资源,研究地杆菌和厌氧粘细菌在不同水稻土中的群落结构和丰度,包括环境因素对它们的影响,不仅可以深化对水稻田微生物生态的认识,而且对于阐明水稻土中微生物Fe(Ⅲ)还原机理及群落演替特征具有重要意义。 本论文的主要结果包括以下方面: (1)不同区域水稻土样品的Fe(Ⅲ)还原潜势有显著差异,表现出由北向南逐渐降低的趋势。采自浙江和天津的水稻土样品淹水12 h后地杆菌和厌氧粘细菌16S rRNA基因拷贝数变化明显,显示两类土样中土著地杆菌和厌氧粘细菌对淹水过程具有高度敏感性,而采自吉林和广西的水稻土样品对淹水响应不敏感;淹水培养初期不同水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌的丰度可以反映其Fe(Ⅲ)还原能力的差异。 (2) 16~50°C下进行培养时,地杆菌和厌氧粘细菌均在30°C条件下具有最大代谢活性群落多样性;地杆菌群落多样性随温度升高而增高,厌氧粘细菌群落多样性则相反,表明二者应对生境变化的生存策略不同。在RNA和DNA水平上,对克隆序列采用Unifrac显著性分析得知,温度显著影响了厌氧粘细菌的优势群落变化,而对地杆菌的优势群落结构影响不显著。50°C时的地杆菌和厌氧粘细菌丰度最低,但Fe(Ⅲ)最大还原潜势和最大反应速率却处于中等水平,暗示泥浆中存在嗜热Fe(Ⅲ)还原菌。不同温度下检测到的水稻土地杆菌克隆多数同涉及生物修复的地杆菌种属高度同源,强调了地杆菌在厌氧淹水水稻土中的功能和生态学意义。 (3)含氧浓度对于水稻土泥浆中微生物数量及群落结构具有显著影响。泥浆上方连续通O_2处理中地杆菌和厌氧粘细菌的丰度明显高于其他处理,表现出二者对于微含氧环境的良好适应性,说明在有氧水稻土泥浆环境中地杆菌能够生长。各处理中地杆菌的丰度均高于厌氧粘细菌,特别是在培养的初始阶段,显示出地杆菌群落迅速适应环境并生长的特点。Geobacter bremensis和Geobacter bemidjiensis是本研究条件下不同含O_2浓度泥浆中的优势地杆菌种群,体现二者对不同含氧环境的良好耐受能力。当厌氧环境转变为微含氧环境时,无论是基于DNA还是RNA,微含氧泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌的群落多样性均高于严格厌氧培养,体现出二者以扩大种群数量应对氧浓度条件变化的特性。 (4)调控初始pH值对水稻土泥浆pH变化趋势影响不大,对最大Fe(Ⅲ)还原潜势也没有影响,最大Fe(Ⅲ)还原潜势取决于土壤的无定形铁含量。泥浆初始pH调控过低,会持续抑制泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌的16S rRNA基因拷贝数,从而显著延缓最大Fe(Ⅲ)还原速率对应时间;适当调低泥浆初始pH值则有利于地杆菌和厌氧粘细菌拷贝数的升高,这在培养后期十分明显,说明通过调节初始pH值可以控制水稻土泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌的生长。 (5)有机秸秆添加显著减少地杆菌和厌氧粘细菌的拷贝数,提高了细菌拷贝数,但对Fe(Ⅲ)还原过程并无影响,说明参与复杂有机质分解代谢的细菌群落对Fe(Ⅲ)还原亦有贡献。地杆菌和厌氧粘细菌丰度Fe(Ⅲ)还原联系紧密,并在Fe(Ⅲ)还原活跃时期表现出共生效应。 通过本文的研究,对不水稻土和不同环境条件下土著地杆菌和厌氧粘细菌的丰度和群落结构有了进一步的认识,探讨了土壤性质以及环境因素同微生物Fe(Ⅲ)还原之间的联系,为进一步明确水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌的分布、系统分类特征和生态功能、探讨不同水稻土中微生物Fe(Ⅲ)还原能力差异提供理论依据。


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