菹草和金鱼藻生长及衰亡阶段体表附着微生物分布特征的研究

作     者：马倩倩 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓红

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0815[工学-水利工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：沉水植物 生长阶段 腐烂分解 附着生物膜 附着微生物多样性 

摘      要：沉水植物(submerged macrophyte)是淡水湖泊生态系统初级生产力,其在湖泊生态系统结构和功能以及生物多样性维持等方面占具举足轻重的作用。沉水植物整个植株生长于水面以下,茎叶等体表往往附着藻类、微生物、菌胶团、泥沙和碎屑等各种物质,形成厚度不等的附着层,加之沉水植物茎叶界面存在的相互分异又密切联系的氧化-还原异质环境,为微生物的附着提供了适宜的生物载体,茎叶等体表成为继植物根际后淡水生态系统物质循环的另一关键场所。生长及衰亡是沉水植物生命史的两个关键阶段。生长阶段,沉水植物茎叶将通过对营养盐的吸收以及附着生物膜等多重方式对淡水水域生态系统产生积极的影响;衰亡阶段,漂浮在水体中的茎叶枯落物随着营养元素的持续流失,茎叶枯落物表面附着物成分势必发生变化,枯落物表面附着微生物将随之发生变化。然而,目前关于沉水体表附着微生物在植物生长及衰亡阶段的变化过程及关键驱动因子尚不清晰。基于此,本论文以我国淡水水域优势沉水植物金鱼藻和菹草为研究对象,通过野外样品采集以及枯落物腐烂分解实验系统的构建,研究金鱼藻(Ceratophyllum demersum)和菹草(Potamogeton crispus)生长阶段以及枯落物分解阶段植物茎叶等体表附着微生物的生态分布特征,并与水体及非生物基质微生物同步测定数据进行对比分析,结合所在水域水质参数及附着生物膜理化特征,解析驱动茎叶体表附着微生物分布特征变化的主要因子,阐述植物在生长及衰亡阶段对体表附着微生物的影响,研究结果将为进一步评价沉水植物的生态功能提供基础数据。主要研究结果如下:(1)沉水植物生长阶段,其茎叶附着细菌物种组成及群落结构受植物物种以及植物生长时间等因素的显著影响,且与上覆水及非生物基质表面附着细菌分布明显不同。沉水植物生长阶段(菹草4-6月份、金鱼藻6-11月份),菹草和金鱼藻茎叶体表附着物干重平均值分别为39.68 g/kg和57.16 g/kg,均大于同一水域所采非生物基质附着物干重。金鱼藻附着物大于菹草,主要与两个物种叶片形态上的差异有关,相较于线形叶片的眼子菜而言,轮生且呈现簇拥密集生长的金鱼藻,其较复杂的叶片形态及较大的叶面积促使金鱼藻体表附着物的增加。两个物种生长过程中其茎叶附着细菌Alpha多样性、Beta多样性以及物种组成均随生长季节的差异而变化。Alpha多样性指数平均值表现为植物非生物基质上覆水体,表明沉水植物茎叶附着细菌的Alpha多样性高于非生物基质,且附着细菌多样性大于浮游细菌。各样品中所检测的细菌优势物种如Preoteobacteria、Firmicuts、Atinobacteria、Planctomyceloto、Cyanobacteria、Verrucomicrobiota、Bacteroidota、Chloroflex等,其相对丰度在不同样品间存在差异。微生物多样性及群落结构的变化受植物所在水域水环境参数以及附着生物膜理化参数的影响。总之,无论是沉水植物茎叶还是非生物基质,均能为水体污染物和微生物的附着提供场所,增加微生物群落丰富度和多样性,调控其群落结构的变化。(2)沉水植物枯落物腐烂分解阶段,茎叶附着细菌群落组成及结构受枯落物腐烂分解时间的显著影响,而受分解袋孔径差异的影响较小。金鱼藻枯落物共检测出细菌21门46纲114目185科327属,菹草枯落物则检出细菌26门61纲157目241科391属。细菌Alpha多样性随三个分解时间呈现显著性差异(p0.05)。基于层级聚类(Hierarchical clustering)以及主坐标分析(PCo A)结果证实同一分解时间金鱼藻或菹草的枯落物细菌群落组成较为相似,而不同分解时间枯落物细菌群落组成发生明显改变。相似性分析(ANOSIM)以及置换多元方差分析(PERMANOVA)表明枯落物细菌群落结构的显著性差异受分解时间的影响(p0.05)RDA或CCA分析揭示了枯落物细菌群落与枯落物理化参数及所在水域水质参数间均有一定的相关性;Spearman相关性分析以及Mantel test检验进一步验证了细菌群落阵与枯落物理化参数矩阵和水环境变量距离矩阵之间的显著相关性,表明枯落物细菌分布特受枯落物分解过程中营养元素的变化以及枯落物所在水域水质参数变化的双重影响。