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环境科学学报 2019年第4期39卷 1274-1283页

作者：黄博聪龙健刘灵飞廖洪凯李娟张菊梅吴求生贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室贵阳550001 贵州师范大学地理与环境科学学院贵阳550001

为了解稻田土壤微生物对锑(Sb)和砷(As)污染的长期适应机制,本文以贵州省独山半坡锑矿和某锑矿冶炼厂周边稻田土壤为研究对象.采用野外布点和室内分析的方法,利用Illumina高通量测序技术对稻田垂直剖面土壤细菌16S rRNA V3～V4可变区进... 详细信息

为了解稻田土壤微生物对锑(Sb)和砷(As)污染的长期适应机制,本文以贵州省独山半坡锑矿和某锑矿冶炼厂周边稻田土壤为研究对象.采用野外布点和室内分析的方法,利用Illumina高通量测序技术对稻田垂直剖面土壤细菌16S rRNA V3～V4可变区进行测序,分析了土壤微生物的α多样性、物种丰度差异和组成情况,探讨了不同形态Sb和As在tc1(水耕熟化层)、tc2(渗育层)、tc3(犁底层)和tc4(水耕淀积层)的地球化学行为及其对细菌群落结构的影响.结果表明,研究区Sb和As的来源不同,Sb主要来源于大气沉降和人工投放,As则来源于成土母岩.变形菌门(Proteobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)为各土层的主要优势菌门,具体表现为变形菌门(Proteobacteria)是tc1和tc2的优势菌门,绿弯菌门(Chloroflexi)是tc3和tc4的优势菌门.土壤剖面各土层多样性指数均在tc1达到最大值,在tc3达到最小值且差异不显著.相对重要性分析表明,总As、As(V)、TS和Fe(II)为影响多样性指数的主要因子.LEfSe分析表明,各土层差异指示种在不同分类水平上各不相同且tc1的数量高于tc2、tc3和tc4.如在门水平,tc1的差异指示种为疣微菌门(Verrucomicrobia),tc3为热袍菌门(Thermotogae),tc4为硝化螺旋菌门(Nitrospirae);在纲水平,tc1为α-变形菌纲(α-proteobacteria),tc2为β-变形菌纲(β-proteobacteria),tc3为热袍菌纲(Thermotogae),tc4为硝化螺旋菌纲(Nitrospirae).RDA分析和相对重要性分析表明,总As、As(III)、Sb(V)、总Sb和pH等对细菌门分类水平具有重要影响.共生网络分析进一步表明,Sb(III)和As(V)虽然对群落结构影响相对较小,但与特征性微生物却存在显著相关性,如Sb(III)与Defluviicoccus属显著相关,而As(V)对β-变形菌纲影响较为显著.

关键词：稻田土壤剖面 Sb和As污染土壤细菌群落共生网络分析 LEfSe分析

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候鸟粪便输入对鄱阳湖湿地土壤理化性质和细菌群落的影响

候鸟粪便输入对鄱阳湖湿地土壤理化性质和细菌群落的影响

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作者：吴麒南昌大学

学位级别：硕士

湿地与候鸟间存在密切的相互联系,湖泊湿地是候鸟的家园,候鸟是湿地的重要组成部分。全球湿地退化带来候鸟栖息地减少,这使候鸟汇聚于部分栖息地。鄱阳湖湿地是亚洲最大的候鸟越冬地,近年来鄱阳湖湿地越冬候鸟数量呈现增长的趋势。候鸟... 详细信息

湿地与候鸟间存在密切的相互联系,湖泊湿地是候鸟的家园,候鸟是湿地的重要组成部分。全球湿地退化带来候鸟栖息地减少,这使候鸟汇聚于部分栖息地。鄱阳湖湿地是亚洲最大的候鸟越冬地,近年来鄱阳湖湿地越冬候鸟数量呈现增长的趋势。候鸟数量的增加会带来更多的鸟粪输入,这会给鄱阳湖湿地土壤带来怎样的生态影响还不得而知。同时由于全球气候变暖和迁徙中食物短缺,越冬候鸟中的一部分类群从候鸟转变成了留鸟,使得鄱阳湖湿地留鸟的种类和数量不断增加。但目前我们对于候鸟与留鸟粪便对湿地土壤影响的差异并不清楚,因而也不能评估候鸟向留鸟的转变会对鄱阳湖湿地产生什么影响。由此,本研究于2019-2020年期间在鄱阳湖都昌候鸟省级自然保护区开展了以下两部分研究内容:1)野外观测实验,在冬候鸟到来的前、中、后三个时期分别进行土壤和鸟粪的采样分析,探究候鸟粪便输入对湿地土壤理化指标和微生物群落的影响;2)通过室内模拟实验,探究候鸟与留鸟粪便输入对湿地土壤影响的差异。本研究通过环境化学手段分析样品理化性质,通过16S r RNA基因测序技术解析样品微生物群落结构,通过对这两部分数据的统计分析,获得了如下的研究结果:1、我们的野外实验表明,候鸟粪便输入会在显著增加土壤养分的同时,增大土壤重金属污染生态风险,并显著改变土壤细菌群落结构,降低细菌群落的生态位分化和物种相互作用,使细菌群落稳定性下降。具体结果如下:(1)在经过整个候鸟越冬期后,受粪便影响的土壤中总有机碳(TOC)、总氮(TN)和镉(Cd)的含量显著增加,分别达到25.74 g/kg,3.24 g/kg和5.02 mg/kg。细菌群落的多样性和生态功能没有显著变化,但是物种组成发生改变(p<0.05),主要体现在降低γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)和拟杆菌纲(Bacteroidia)的相对丰度。(2)候鸟粪便输入对土壤的影响与候鸟数量、粪便影响时间密切相关,在候鸟迁徙高峰期影响最为显著,而在候鸟离开后这种影响逐渐减弱。高峰期大量候鸟粪便输入增加了土壤中细菌群落的多样性(p<0.05),增加了ε-变形菌纲(Deltaproteobacteria)和拟杆菌纲的相对丰度,但降低了α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)和放线菌纲(Actinobacteria)的相对丰度。另外,结果表明粪便当中的优势物种如厚壁菌门(Firmicutes)并没有在土壤中得到富集。2、相比于候鸟,留鸟粪便输入在增加土壤碳含量的同时会消耗磷元素,降低磷酸酶(Phos)的活性,留鸟粪便中的优势物种不仅会在土壤中得到富集而且留鸟粪便输入会增加细菌群落的生态位分化和物种相互作用,提高细菌群落稳定性。具体结果如下:(1)经过45天的粪便影响后,与候鸟相比,留鸟粪便影响的土壤中微生物生物量碳(MBC)含量显著升高(9.41 mg/kg),但是Phos的活性显著降低(29.66nmol/h/g)。留鸟粪便当中的优势组成厚壁菌门(Firmicutes)会在土壤中富集。(2)粪便输入对土壤的影响会随着时间发生改变,对土壤理化性质和细菌群落组成的影响在第7天最大,但是对微生物活性的影响在第15天最大。从整个实验周期整体来看,与候鸟相比,留鸟粪便输入会带来更高的MBC积累,达到12.63 mg/kg,但是也会带来总磷(TP)的含量和Phos的活性下降,分别为0.20 g/kg和25.10 nmol/h/g。候鸟粪便输入会短期增加土壤细菌群落的多样性,留鸟粪便输入对细菌群落多样性无显著影响。与候鸟相比,留鸟粪便影响的土壤中变形菌门(Proteobacteria)和γ-变形菌纲的相对丰度显著增加,而绿弯菌门(Chloroflexi)和Acidobacteriota的相对丰度显著降低。留鸟粪便输入会导致湿地土壤中能量代谢(Energy metabolism),辅助因子和维生素的代谢(Metabolism of cofactors and vitamins)等功能相对丰度降低。留鸟粪便输入导致土壤细菌群落的物质代谢水平的降低,可能与土壤中磷元素降低形成磷限制有关。留鸟粪便输入会增加细菌群落生态位分化和抵抗外界干扰的能力,使细菌群落稳定性增加,而候鸟则相反。同时,研究也发现鸟类物种和食性的差异会显著影响鸟粪对土壤的影响效果,比鸟类居留型差异的影响更为显著。综上,本研究科学评估了越冬候鸟粪便输入,以及候鸟向留鸟转变对湿地土壤带来的影响。研究结果预示着持续增多的候鸟粪便输入可能对缓解湿地土壤肥力和生物多样性退化具有重要意义,以及留鸟影响增大对增加湿地土壤细菌群落的稳定性具有重要作用。因此,研究成果有助于更加全面地了解越冬候鸟和湿地土壤之间的相互作用,为更好地保护候鸟与湿地提供了技术支撑和理论依据。

关键词：候鸟粪便土壤微生物鄱阳湖湿地重金属富集共生网络分析候鸟与留鸟

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水源水库藻类种群时空演替的伴生菌群驱动机制研究

水源水库藻类种群时空演替的伴生菌群驱动机制研究

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作者：闫苗苗西安建筑科技大学

学位级别：硕士

随着湖库水源生态健康评价以及水体藻华消涨机理研究的持续深入,水库水体中的微生物因子驱动藻类种群变化研究成为热点。水库生态系统中,微生物作为初级生产力的主要贡献者,藻华的形成与水体中共生微生物种群关系密切。然而,具体的菌-... 详细信息

随着湖库水源生态健康评价以及水体藻华消涨机理研究的持续深入,水库水体中的微生物因子驱动藻类种群变化研究成为热点。水库生态系统中,微生物作为初级生产力的主要贡献者,藻华的形成与水体中共生微生物种群关系密切。然而,具体的菌-藻互作演替及其水质调控机制尚不明确。本研究以西安市两座水源水库为研究对象,采用高通量DNA测序技术和共生网络分析方法,通过监测水库为期一年的水质常规指标、藻类种群以及伴生菌群结构的季节性变化,从而揭示水库中藻类种群演替与伴生菌群之间的互作驱动机制。最后,从胞内代谢角度探究了扬水曝气抑制浮游藻类生长的生物学机理,研究结果将为水源水库藻华暴发机制及其人工控藻技术研究提供科学依据。主要研究结果包括:一、以金盆水库为研究对象,采用18S rDNA高通量测序技术和共生网络分析方法,研究了藻类种群时空演替与真核微生物的生态互作关系。结果表明:(1)硅藻和绿藻为全年优势门类。在4月,金藻门成为最优门类,相对丰度最大达80.05%。(2)DNA测序分析表明,纤毛亚门为真核微生物群落中全年优势类群,在3月达到全年最大值95.33%。节肢动物门在10月的相对丰度最大值55.20%,轮虫在5月成为最大优势类群。(3)共生网络(Co-occurrence network)分析表明,藻类与真核微生物关系以互利共生为主。Symbiodinium和管鞭毛虫属作为关键节点,与多数藻类具有显著正相关关系。角星鼓藻作为藻类群落中的关键节点,与链壶菌属和旋游虫呈显著正相关(P共生网络分析方法,研究了藻类种群时空演替与细菌群落的生态互作关系。结果表明:(1)硅藻和绿藻也为全年优势门类。在8月,蓝藻取代硅藻成为第二大优势门类,平均相对丰度为30.13%;(2)DNA测序分析表明,变形菌门、放线菌门和拟杆菌门为全年优势细菌。变形菌门在7月达到全年最大相对丰度71.68%。酸杆菌门和异常球菌-栖热菌门作为稀有类群,其相对丰度最大分别为10.20%和5.56%。(3)共生网络分析表明,藻类与细菌关系以正相关为主。Methylotenera作为关键节点,与小球藻呈显著正相关(P分析表明,藻类和细菌群落的互作关系受到水温、p H和电导率的显著调控,环境因子对藻类和细菌群落变异解释分别为93.1%和90%。三、采用18S rDNA高通量测序技术和共生网络分析方法,研究了金盆水库冬季混合期藻类与真核微生物群落时空演替及生态互作关系。结果表明:(1)在冬季混合期,节肢动物门(6.63%～79.19%)、褐藻门(5.60%～35.16%)、纤毛亚门(1.81%～10.93%)和隐藻门(0.25%～11.48%)为真核微生物群落中最丰富的四个门类。(2)隐真菌在浮游藻类数量减少时相对丰度明显增加,表明隐真菌与藻类之间可能存在腐生关联,藻类的死亡能够促进隐真菌的生长。(3)共生网络分析表明,青霉菌与其他大多数真核藻类呈显著负相关(P分析表明,铜绿微囊藻的代谢活性在25℃有光条件下达到最大,且在低温有光和无光条件下,代谢活性在培养48 h的铜绿微囊藻中呈现出显著差异(P分析法表明,铜绿微囊藻的胞外和胞内溶解性有机物均解析出三种组分,EOM有类络氨酸、类色氨酸和UVA类腐殖质,IOM有UVC类腐殖质、UVA类腐殖质和类络氨酸。EOM和IOM的总荧光强度均在25℃有光条件下达到最大。(4)扬水曝气系统控藻效果明显,在李家河和金盆水库中对藻类削减显著,叶绿素荧光参数在扬水曝气运行以后均显著降低,表明扬水曝气的运行削弱了藻类光合作用的能力,使得藻类的生物活性遭到破坏。

关键词：水源水库藻类种群高通量DNA测序微生物群落共生网络分析

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