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好氧微生物聚集体的群落构建与相互作用机制

好氧微生物聚集体的群落构建与相互作用机制

作者：高维山东大学

学位级别：硕士

好氧颗粒污泥（AGS）是一种含有多种功能菌的微生物聚集体。微生物对AGS的形成、结构的稳定和污染物的去除至关重要。然而目前在微生物水平对AGS的探究还不够深入,这限制了我们对AGS的了解和应用。本论文从微观层面探讨了微生物对AGS形... 详细信息

好氧颗粒污泥（AGS）是一种含有多种功能菌的微生物聚集体。微生物对AGS的形成、结构的稳定和污染物的去除至关重要。然而目前在微生物水平对AGS的探究还不够深入,这限制了我们对AGS的了解和应用。本论文从微观层面探讨了微生物对AGS形成、生长和失稳的影响。首先在两种进水条件下,研究了 AGS形成过程中微生物群落构建机制;然后探究了在AGS生长过程中,污泥微生物间的相互作用力和聚集性能以及微生物与非生物表面间的相互作用力及粘附层的粘弹性的变化,这为深入了解AGS的生长和稳定性提供了理论基础。主要研究内容和结果如下:（1）好氧污泥颗粒化过程微生物群落构建机制。分别在以乙酸钠作为单—基质（R1）和以葡萄糖、乙酸钠、丙酸钠、蛋白胨和淀粉作为混合基质（R2）两种进水条件下进行AGS的培养。结果表明两组反应器均成功培养出AGS,其中R1和R2的颗粒化率分别在第80天和第65天达80%。以混合基质为进水显著提高了微生物群落的多样性和丰富度,并且刺激了胞外聚合物（EPS）的分泌,这有利于R2中AGS的快速形成。共现网络表明颗粒化阶段R1中物种竞争加剧,导致物种多样性下降,这可能是R1中污泥颗粒化较慢的原因。另外,在两个反应器中,模块内（Zi）和模块间（Pi）连通度分析共识别出28个关键类群,其中稀有类群占53.57%,这说明在颗粒化过程中某些低丰度菌在维持系统稳定性方面也起到了关键作用。零模型和中性模型表明,在两种进水条件下,AGS的微生物群落构建受确定性和随机性过程的共同影响,其中同质选择（52.83%-72.88%）是最重要的确定性过程,漂变（18.89%-34.07%）是最主要的随机性过程。R1和R2中分别有51和56组微生物受确定性过程调控,对两个反应器中好氧污泥颗粒化的贡献率分别为28.87%和36.22%,是AGS形成的主要贡献者。因此,通过确定性过程选择这类微生物具有重要意义,这有利于AGS的形成。本研究有助于加深对AGS系统中微生物生态学的认识,将为进一步研究好氧微生物聚集体形成过程中的群落调控策略奠定基础。（2）好氧颗粒污泥微生物菌群的聚集与粘附行为。将AGS按照其粒径划分成超小（XS）、小（S）、中等（M）、大（L）和超大（XL）五种类型污泥,以模拟颗粒生长的不同阶段。结果表明从XS到M阶段,污泥强度和沉降性能提高。该阶段Lewis酸碱相互作用力和菌群疏水性的提高以及污泥表面负电荷和斥力势垒的减少,使污泥菌群间的聚集性能逐渐增强,这有利于颗粒生长。另外,EPS含量明显增加,增强了菌群与无机内核之间的粘附力,无机内核结构致密完整,并且菌群与无机内核之间形成的粘附层结构也变得更致密坚硬,这使得颗粒具有良好的抵御外界湍流和剪切力的能力,从而提高了颗粒的稳定性。从M到XL阶段,颗粒开始出现裂缝,甚至出现完全解体的颗粒。然而在该过程中,污泥EPS中亲水性官能团减少以及疏水性和Lewis酸碱相互作用力的增加使污泥菌群间聚集性能不断提高,表明随着粒径增大AGS的解体并不是由于菌群间聚集能力的降低导致的。原子力显微镜和石英晶体微天平结果表明该阶段菌群与无机内核之间的粘附力降低,这导致菌群与无机内核之间形成的粘附层更松软,不利于颗粒抵抗外界剪切力,从而使颗粒出现裂缝而解体。本研究证实了无机内核对AGS结构稳定性的影响,并为深入了解AGS的生长或失稳提供了依据。

关键词：微生物聚集体群落构建好氧颗粒污泥聚集行为粘附行为

基于CiteSpace的森林群落构建机制研究进展

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山地农业生物学报 2023年第2期42卷 29-37页

作者：吴宇航杨泽宇陈世仁张广奇刘庆福陈丹梅隋明浈臧丽鹏贵州大学林学院贵州贵阳550025 贵州大学森林生态研究中心贵州贵阳550025 贵州荔波喀斯特森林生态系统国家定位观测研究站贵州荔波558400

物种共存和多样性维持机制一直是群落生态学的核心论题之一,群落构建机制是解释物种共存和多样性维持的重要理论。为探究群落构建机制的研究热点、发展趋势及前沿动态,本文采用文献计量学方法,基于CiteSpace软件,以“community assembl... 详细信息

物种共存和多样性维持机制一直是群落生态学的核心论题之一,群落构建机制是解释物种共存和多样性维持的重要理论。为探究群落构建机制的研究热点、发展趋势及前沿动态,本文采用文献计量学方法,基于CiteSpace软件,以“community assembly”为主题,“Forestry”为研究方向,从Web of Science核心库中检索得到476篇相关文献,并从发文作者、机构、国家、作者和文献共被引、关键词等方面对其进行文献计量分析。结果表明森林群落构建领域发文量最大的作者为*** Wilson,发文量最大的机构为Chinese Academy of Sciences,美国为发文量最大的国家。该领域的研究热点为群落构建(community assembly)、多样性(diversity)、格局(pattern)等,而响应机制的研究将是未来几年的主要研究方向。森林群落构建领域的研究热点由早期对相关概念的梳理逐步转为对不同生态过程的量化以及对生物多样性格局的解释。研究方法从基于系统发育信号的验证到植物功能性状视角,发展到谱系结合植物功能性状的手段进行相关生态过程的解译。总体上看,森林群落构建的研究呈上升趋势,越来越受到学者们的关注。

关键词：文献计量学 CiteSpace 群落构建森林可视化

功能多样性和谱系多样性对热带云雾林群落构建的影响

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植物生态学报 2019年第3期43卷 217-226页

作者：程毅康张辉王旭龙文兴李超方燕山符明期朱孔新海南大学热带农林学院海口570228 海南省五指山森林生态系统国家定位观测研究站海南五指山572200 海南省黎母山省级自然保护区管理局海南琼中572900 海南省霸王岭林业局海南昌江572700

近年来,功能多样性和谱系多样性为探究群落构建机制提供了新方法。为了更准确地了解海南岛高海拔热带云雾林群落构建机制,该研究以海南岛霸王岭热带云雾林为对象,测定7个环境因子和13个植物功能性状。利用主成分分析(PCA)筛选环境因子,... 详细信息

近年来,功能多样性和谱系多样性为探究群落构建机制提供了新方法。为了更准确地了解海南岛高海拔热带云雾林群落构建机制,该研究以海南岛霸王岭热带云雾林为对象,测定7个环境因子和13个植物功能性状。利用主成分分析(PCA)筛选环境因子,以霸王岭、尖峰岭和黎母山热带云雾林分布物种建立区域物种库,结合模型,分析Rao二次熵(RaoQ)和平均成对谱系距离(MPD)变化对植物群落构建的影响。结果表明:林冠开阔度、土壤全磷含量和坡度是影响植物群落构建的关键环境因子。多数功能性状的系统发育信号很低且不显著,说明热带云雾林群落的系统发育关系与功能性状随历史进程变化不一致。RaoQ和MPD的实际观测值都显著低于期望值,且其标准效应值与土壤磷含量显著相关,说明生境过滤是驱动热带云雾林群落构建的关键因子,土壤磷含量是群落构建的关键环境筛。

关键词：群落构建功能多样性谱系多样性环境因子热带云雾林

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黄土高原腹地人工林下草本层群落构建机制

植物生态学报 2019年第9期43卷 834-842页

作者：施晶晶赵鸣飞王宇航薛峰康慕谊江源北京师范大学地理科学学部自然资源学院北京100875 北京师范大学地理科学学部中药资源保护与利用北京市重点实验室北京100875 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

群落构建机制是生态学研究的核心论题。生态位理论和中性理论是阐明群落构建的两种主要理论,但这两种理论分别强调的环境过滤和扩散限制对群落构建的影响尚存争议。该研究以黄土高原人工林下草本层群落为研究对象,将群落物种组成数据与... 详细信息

群落构建机制是生态学研究的核心论题。生态位理论和中性理论是阐明群落构建的两种主要理论,但这两种理论分别强调的环境过滤和扩散限制对群落构建的影响尚存争议。该研究以黄土高原人工林下草本层群落为研究对象,将群落物种组成数据与地理空间、气候、地形以及生物因子相结合,运用随机森林模型(RF)和基于距离矩阵的多元回归方法(MRM),探究了各个因子的重要性,并通过邻体主坐标矩阵(PCNM)和基于距离的冗余分析(db-RDA)分别筛选显著的空间结构和环境因子,最后结合筛选出的PCNM特征值和环境变量进行变差分解。研究结果显示:1)林下草本层群落组成相似性随地理距离和生境差异的增加而减小。2)地理距离与生境差异共同解释了群落组成相似性变化的47.8%。其中,空间因子和环境因子的独立解释率分别为14.1%和9.8%,两者的联合解释率为23.9%。3)地理距离和年降水量是引起研究区内物种组成变化的关键因子,且地理距离的重要性大于年降水量。在黄土高原腹地,扩散限制与环境过滤共同主导了人工林下草本层群落的构建过程。

关键词：群落构建生态位理论中性理论环境过滤扩散限制 β多样性林下草本层群落

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土壤微生物群落构建理论与时空演变特征

生态学报 2015年第20期35卷 6575-6583页

作者：贺纪正王军涛中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085

土壤微生物作为陆地生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与几乎所有的土壤生态过程,在物质循环、能量转换以及污染物降解等过程中都发挥着重要作用。对土壤微生物时空演变规律及其形成机制的研究,不仅是微生物演变和进化的基础科学问... 详细信息

土壤微生物作为陆地生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与几乎所有的土壤生态过程,在物质循环、能量转换以及污染物降解等过程中都发挥着重要作用。对土壤微生物时空演变规律及其形成机制的研究,不仅是微生物演变和进化的基础科学问题,也是预测微生物及其所介导的生态功能对环境条件变化响应、适应和反馈的理论依据。讨论了土壤微生物群落的定义、测度方法和指标,认为群落是联系动植物宏观生态学与微生物生态学的基础,群落构建机制是宏观和微观生态学都需要研究的核心科学问题;从生态学的群落构建理论出发,阐述了包括生态位理论/中性理论、过程理论和多样性-稳定性理论在土壤微生物时空演变研究中的应用,以及微生物群落在时间和空间上的分布特征及其尺度效应;确立了以微生物群落构建理论为基础、不同时空尺度下土壤微生物群落演变特征为主要内容的微生物演变研究的基本框架。

关键词：土壤微生物微生物地理学微生物演变生物多样性群落构建

微生物性状揭示物种分布格局、群落构建机制和生态系统功能

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微生物学报 2020年第9期60卷 1784-1800页

作者：孟凡凡胡盎王建军中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室江苏南京210008 中国科学院大学北京100049 湖南农业大学资源环境学院湖南长沙410128

微生物性状是指与其存活、生长和繁殖紧密相关的一系列核心属性,这些属性能够反映微生物对环境变化的响应,进而影响微生物的物种分布格局、群落构建机制以及相应的生态系统功能。越来越多的研究表明,相比于微生物分类学信息,微生物性状... 详细信息

微生物性状是指与其存活、生长和繁殖紧密相关的一系列核心属性,这些属性能够反映微生物对环境变化的响应,进而影响微生物的物种分布格局、群落构建机制以及相应的生态系统功能。越来越多的研究表明,相比于微生物分类学信息,微生物性状可以在种群、群落和生态系统尺度等视角扩展我们对微生物生态过程的理解,并提供生态模式的机理性解释。本文回顾微生物性状研究的发展历程,总结近年来基于微生物性状研究的前沿科学问题,比如微生物性状的分类和测定方法、基于性状的功能多样性定义及应用、性状与物种分布格局和群落构建机制的关系、性状对生物多样性和生态系统功能的影响以及对环境变化的响应等。尽管微生物性状研究已经延伸到生态学领域的各个方面,有力推动着各个前沿科学问题的研究发展,但是仍然面临很多机遇与挑战。因此,本文也从研究方法和研究方向等方面对未来基于微生物性状的研究提出了展望。

关键词：性状功能多样性物种分布群落构建生态系统功能

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植物群落构建研究热点与发展趋势分析

山东林业科技 2023年第6期53卷 30-39页

作者：彭书婷王秋雪黄柳菁福建农林大学风景园林与艺术学院福建福州350002

群落构建研究是用于阐明物种共存与物种多样性的形成与维持机制的有效途径,也是群落生态学研究中的核心问题。利用CiteSpace软件对2002—2022年植物群落构建领域在国内外发表的文献进行统计分析,结果表明:(1)国内外植物群落构建研究的... 详细信息

群落构建研究是用于阐明物种共存与物种多样性的形成与维持机制的有效途径,也是群落生态学研究中的核心问题。利用CiteSpace软件对2002—2022年植物群落构建领域在国内外发表的文献进行统计分析,结果表明:(1)国内外植物群落构建研究的发文量总体上均呈现增长趋势,中国机构发文量为全球第一。(2)植物功能性状和系统发育多样性是国际植物群落构建研究领域的主要内容,且植物功能性状、系统发育多样性、生态修复为该领域近几年研究的热点。(3)国内研究方向主要为:群落构建、园林植物、植物群落、功能性状、物种多样性,且国内已形成较为完整的研究体系。(4)功能多样性、系统发育多样性、环境筛选、扩散限制等方向是植物群落构建领域的研究前沿。

关键词：群落构建植物群落 CiteSpace 研究热点研究趋势

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环境和扩散对草地群落构建的影响

生态学报 2013年第14期33卷 4409-4415页

作者：王丹王孝安郭华王世雄郑维娜刘史力陕西师范大学生命科学学院西安710062

植物群落构建机制是生态学研究的热点之一。长久以来这个难题并没有得到很好的解释,且争议较多。生态位理论或中性理论,或是二者的共同作用,这样的结论在不同的研究中都有印证。以黄土高原子午岭地区的草地群落为例,对3种不同的草地群落... 详细信息

植物群落构建机制是生态学研究的热点之一。长久以来这个难题并没有得到很好的解释,且争议较多。生态位理论或中性理论,或是二者的共同作用,这样的结论在不同的研究中都有印证。以黄土高原子午岭地区的草地群落为例,对3种不同的草地群落(5a的弃耕地、阴坡和阳坡的草地)进行了野外群落学调查,采用Mantel test和主轴邻距法(PCNM)分析方法,研究了空间地理距离和环境资源差异对于草本植物群落分布的影响,结果表明:地理距离和环境差异共同解释了群落组成相似性的79.3%,剔除环境因子的影响,地理距离解释了群落组成相似性的33.8%;而剔除地理距离的影响,环境因子解释了群落组成相似性的14.2%。无论是生态位理论还是中性理论,其在黄土高原草本群落构建过程中都有作用,但中性理论扮演了更为重要的角色。

关键词：群落构建环境距离地理距离黄土高原

桂林罗汉肚洞细菌群落的环境驱动机制及群落构建过程

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微生物学报 2021年第12期61卷 4118-4136页

作者：杨梓琪程晓钰王红梅曾智霖刘晓燕曹静苏春田黄奇波中国地质大学(武汉)环境学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉) 生物地质与环境地质国家重点实验室湖北武汉430074 中国地质调查局岩溶地质研究所广西桂林541000

【目的】洞穴被认为是黑暗、寡营养的极端环境,是研究深地生物圈的天然实验室。洞穴内部小生境丰富,不同洞穴水文条件和环境因子等差异大,尽管微生物群落在不同的洞穴中均显示出较强的生境特异性,但对不同相态(固相和液相)环境样本中微... 详细信息

【目的】洞穴被认为是黑暗、寡营养的极端环境,是研究深地生物圈的天然实验室。洞穴内部小生境丰富,不同洞穴水文条件和环境因子等差异大,尽管微生物群落在不同的洞穴中均显示出较强的生境特异性,但对不同相态(固相和液相)环境样本中微生物群落的环境驱动机制以及群落构建的生态学过程的认识却十分薄弱。为了回答上述科学问题。【方法】本文选择了桂林地区典型的喀斯特洞穴罗汉肚洞,针对洞穴中不同生境(岩壁、沉积物、水潭积水、滴水和地下河河水)进行系统采样以及16S rRNA扩增子的高通量测序分析和理化参数的测试。【结果】结果表明洞穴中不同生境微生物群落结构具有显著的生境特异性。岩壁样品以放线菌门(Actinobacteria)为优势类群,沉积物中的优势类群则为酸杆菌门(Acidobacteria),所有水样微生物群落均以γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)为主。温度、风化指数以及SO;浓度显著影响罗汉肚岩壁和沉积物等固相样本中微生物的群落结构,其中USCγ和假单胞菌属(Pseudomonas)与温度呈正相关,假诺卡氏菌属(Pseudonocardia)、土壤红色杆形菌(Solirubrobacter)和芽单胞菌属(Gemmatimonas)则与温度显著负相关。而滴水、水潭积水以及地下河河水等液相样本中微生物群落则与电导率(EC)和溶解氧(DO)的含量显著相关。细菌群落的共生网络具有明显的模块性,不同微生物类群间以正相关的合作关系为主,以共同抵抗洞穴中的极端条件。固相样本中群落构建确定性过程(48.75%)与随机性过程(51.25%)的贡献基本相等,但液相样本中微生物的群落构建则以随机过程占主导(64.76%)。【结论】本研究结果首次揭示了洞穴微生物在不同相态样品中微生物群落的分布规律以及环境驱动机制、网络互作方式以及群落构建等生态学过程的差异,为深刻认识洞穴这一深地生物圈的微生物空间分布特征及微生物与环境之间以及不同微生物类群之间的相互作用提供了新的视角。

关键词：极端环境喀斯特洞穴细菌群落环境驱动机制共生网络群落构建