耐盐沉水植物穗花狐尾藻对低盐度海域生态修复机制研究

论文摘要

水体富营养化已成为中国乃至世界范围内严重的水污染问题,对水生生态系统和人类健康造成了巨大威胁。减少污水处理厂的点源污染以及农业生产带来的面源污染是防止水体富营养化的有效措施,而对富营养化水体进行原位修复则是改善污染水体的重要方式。目前,针对湖泊和河流等淡水生态系统,原位修复方式主要是恢复和构建沉水植物群落;对于海水系统,则是通过大面积海藻栽培与收获。然而,对于富营养化相对严重的河口低盐度水体,有效的生态修复措施还相对缺乏。本文首次探究了耐盐沉水植物穗花狐尾藻对低盐度海域的生态修复机制,分析了生物修复对水体营养盐、浮游植物群落结构以及环境中细菌多样性的影响,获得了以下结果和结论。悬浮栽培和底播均适合穗花狐尾藻在杭州湾种群的构建。悬浮栽培穗花狐尾藻一周左右开始长出新的枝条,15天枝条长度达到约10cm,30天左右长出大量分枝,长度超过20cm。底部栽培穗花狐尾藻最初生长缓慢,水体透明度升高后,表现为快速生长。经过约1年时间的耐盐性驯化与适应,2017年穗花狐尾藻自然萌发生长,逐渐形成优势种群。穗花狐尾藻从2017年8月开始生物量显著增加（p<0.05）,10月达到最大生物量4029.70 g·m-2,特定生长率9月达到最大值4.6%。通过2年的监测发现,穗花狐尾藻在杭州湾研究区域内（水温为3.9-33.4℃,盐度4.9-12.7）能够顺利完成生活史,繁殖方式表现为营养繁殖和有性繁殖。穗花狐尾藻生态修复后,水体透明度从0.5-0.7m迅速提高到2.0-2.6m（平均值2.3m）,显著高于非修复区（p<0.05,n=15）。修复区溶解氧平均值9.3mg·L-1,显著高于非修复区（p<0.05,n=15）,pH平均值为9.2;显著高于非修复区（p<0.05,n=13）。生态修复后,水体中NO2--N、NH4+-N、NO3--N和PO43--P两年平均去除效率分别为15.2%、31.0%、25.1%和29.5%;总氮和总磷去除效率分别为13.0%和45.2%。底泥中NH4+-N、NO3--N、NO2--N去除率分别为51.9%、32.3%、53.6%,活性磷提升率为13.2%。穗花狐尾藻组织中C、N、P平均含量分别为38.73%、3.19%、0.34%,生物量周年总增量为427.6g·m-2,C、N、P周年吸收总量分别为170.4g·m-2、14.7g·m-2、1.49g·m-2。2016年在研究区域内共监测到浮游植物6门64种（属）,其中修复区6门51种,非修复区6门48种,均以硅藻门为主,其次是绿藻门,两个区域共有的浮游植物种类占总种类数的54.7%。2017研究区域共监测到浮游植物8门103种（属）,其中修复区7门54种（属）,硅藻门为优势类群,非修复区8门79种,硅藻门、绿藻门、裸藻门和蓝藻门是主要类群,两个区域共有的浮游植物种类占总种类数的29.1%。修复区优势种主要有:直链藻（Melosira）、小球藻（Chlorella）、小环藻（Cyclotella）、卵形藻（Cocconeis sp.）、舟形藻（Navicula）和囊裸藻（Trachelomonas）;非修复区优势种主要有:微囊藻（Microcystis）、小球藻和小环藻。非修复区在2016年8月和9月出现微囊藻单一优势种。修复区2016年和2017年浮游植物细胞密度平均值分别为252.17×104cells·L-1和1.3×104cells·L-1;非修复区分别为1280.05×104cells·L-1和12.3×104cells·L-1。2016年和2017年修复区Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数均高于非修复区。2016年,NH4+-N和SiO32--Si分别是影响杭州湾修复区与非修复区浮游植物丰度的最主要环境因子,2017年,SiO32--Si和pH分别是影响修复区和非修复区的最主要环境因子。采用高通量测序技术,在研究区域共鉴定到浮游细菌42门700属2080OTU,其中修复区1162OTU,非修复区1523OTU,共有OTU数量占29.1%。修复区浮游细菌主要类群为变形菌门、拟杆菌门、蓝藻门和放线菌门,丰度分别占30.2%（α、β、γ-变形菌分别占14.5%、12.8%、2.9%）、24.7%、23.5%和9.6%;非修复区主要类群为变形菌门、蓝藻门、放线菌门和拟杆菌门,丰度分别占34.9%（α、β、γ-变形菌分别占23.8%、6.8%、4.3%）、32.6%、15.8%和8.6%。浮游细菌在两个区域类均出现较大的季节差异。丰度前15的细菌中,放线菌CL500-29、hgcI,α-变形菌SAR11和β-变形菌OM43丰度在修复区显著低于非修复区;拟杆菌Bacteroidetes-norank、NS3a、Fluviicola,α-变形菌Rhodobacteraceae-unclassified、β-变形菌MWH-UniP1和放线菌Candidatus Aquiluna丰度在修复区显著高于非修复区。NO3--N和PO43--P是影响修复区和非修复区浮游细菌丰度季节间变化的主要环境因子。研究区域共鉴定到沉积物细菌59门996属7923OTU,其中修复区5717OTU,非修复区6744OTU,共有OTU数量占57.3%。修复区沉积物细菌丰富度和多样性显著低于非修复区（p<0.05）。修复区沉积物细菌主要类群为变形菌门（33.7%,其中δ、γ、α-变形菌分别占14.0%、11.7%、5.8%）、拟杆菌门（17.4%）、浮霉菌门（11.4%）和蓝藻门（10.9%）;非修复区沉积物细菌主要类群为变形菌门（40.0%,其中δ、γ、α-变形菌分别占16.8%、16.9%、3.6%）、拟杆菌门（9.8%）、绿弯菌门（9.4%）和浮霉菌门（8.8%）。丰度前15的细菌中,有13属的细菌丰度在修复区和非修复区之间差异显著。NO2--N、NH4+-N和TN是影响修复区沉积物细菌丰度季节间变化的主要环境因子,NH4+-N、TP和PO43--P是影响非修复区沉积物细菌丰度季节间变化的主要环境因子。修复区四个季度共鉴定到附着细菌47门783属3006OTU。四个季度都以变形菌为主,其次是拟杆菌。变形菌中夏季、秋季和冬季以α-变形菌为主,春季以β-变形菌为主。夏季特有较丰富的厚壁菌门类群。附着细菌多样性春季最低。丰度前10的附着细菌纲中,有8个纲的细菌丰度在四个季度之间存在显著差异（p<0.05）。采用宏基因组学技术,鉴定的附着微生物种类数总共为14714,包括四个域,即细菌（Bacteria）、病毒（Viruses）、真核生物（Eukaryota）和古细菌（Archaea）,以细菌为主,占93.77%-97.45%,平均为95.79%。2017年10月、2018年1月和4月微生物拥有COG功能总数为40017,共有的COG功能数为27653（69.10%）。相邻季节附着微生物COG功能更为接近。附着微生物COG功能注释主要涉及E-氨基酸转运和代谢（7.65%）,L-复制、重组和修复（6.57%）,M-细胞膜生物发生（5.94%）,C-能量产生与转换（5.82%）,P-无机离子转运与代谢（5.70%）,G-碳水化合物转运与代谢（4.88%）,T-信号传导通路（4.87%）。参与氮循环的微生物超过百种,涵盖细菌、古菌和真核生物。与固氮作用、反硝化作用和氨化作用相关的基因COG数量和丰度较高。综上,耐盐沉水植物穗花狐尾藻能适应杭州湾低盐度水体,并形成优势种群。通过穗花狐尾藻进行生态修复,1.能显著提高水体透明度、溶解氧和pH,降低水体和沉积物中的营养盐,并使水体营养盐浓度长期维持在较低水平,从而使水质保持稳定;2.能明显抑制浮游植物（尤其是微囊藻）的生长并改变其群落结构,提高浮游植物多样性和均匀度,防止单一藻类过度繁殖和生长;3.能改变浮游细菌和沉积物细菌的群落结构,降低沉积物细菌多样性;4.为附着微生物提供额外的生态位,这些附着微生物类群丰富、种类繁多、功能多样,在各种生源要素的循环和转化中具有潜在作用。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 引言
• 第一章 文献综述
•   1.1 水体富营养化现状及影响
•     1.1.1 水体富营养化现状
•     1.1.2 水体富营养化对淡水生态系统的影响
•     1.1.3 水体富营养化对沿海海洋生态系统的影响
•   1.2 沉水植物对营养盐的调节作用
•     1.2.1 沉水植物对水体中营养盐的吸收
•     1.2.2 沉水植物对沉积物中营养盐的调节
•   1.3 沉水植物对浮游植物的影响
•     1.3.1 沉水植物对浮游植物的间接影响
•     1.3.2 沉水植物对浮游植物的直接影响
•   1.4 沉水植物对环境中细菌的影响
•     1.4.1 沉水植物与附着细菌
•     1.4.2 沉水植物对水体中浮游细菌的影响
•     1.4.3 沉水植物对沉积物中细菌的影响
• 第二章 穗花狐尾藻在杭州湾低盐度海域生长及营养盐吸收
•   2.1 研究区域与研究方法
•     2.1.1 研究地概况
•     2.1.2 狐尾藻底部栽培和悬挂栽培
•     2.1.3 样品采集及处理
•     2.1.4 穗花狐尾藻的生长速率及叶绿素含量测定
•     2.1.5 穗花狐尾藻组织中C、N、P含量测定
•     2.1.6 水体和底泥中营养盐含量测定
•     2.1.7 数据分析
•   2.2 结果
•     2.2.1 穗花狐尾藻在杭州湾的生长及叶绿素含量变化
•     2.2.2 穗花狐尾藻的繁殖方式
•     2.2.3 水体理化环境因子变化
•     2.2.4 水体中营养盐浓度变化
•     2.2.5 底泥中营养盐浓度变化
•     2.2.6 穗花狐尾藻组织中碳、氮、磷含量及营养元素吸收量
•   2.3 讨论
•     2.3.1 修复物种及栽培方式的选择
•     2.3.2 穗花狐尾藻在杭州湾低盐度水体中生长与繁殖
•     2.3.3 穗花狐尾藻对水体透明度、溶解氧和pH的影响
•     2.3.4 穗花狐尾藻对环境中N的影响
•     2.3.5 穗花狐尾藻对环境中P的影响
•     2.3.6 穗花狐尾藻对C、N、P的移除作用
• 第三章 穗花狐尾藻修复区与非修复区浮游植物群落结构
•   3.1 研究区域与研究方法
•     3.1.1 研究区域
•     3.1.2 样品采集与处理
•     3.1.3 数据分析
•   3.2 结果
•     3.2.1 浮游植物种类及优势种
•     3.2.2 浮游植物丰度及多样性指数
•     3.2.3 浮游植物与环境因子的冗余分析（RDA排序）
•   3.3 讨论
•     3.3.1 浮游植物群落结构特征
•     3.3.2 浮游植物细胞密度
•     3.3.3 环境因子对浮游植物群落的影响
• 第四章 穗花狐尾藻塑造细菌群落结构
•   4.1 研究区域与研究方法
•     4.1.1 研究区域
•     4.1.2 样品采集与处理
•     4.1.3 DNA提取及PCR扩增
•     4.1.4 Illumina Miseq测序
•     4.1.5 数据处理与分析
•   4.2 结果
•     4.2.1 浮游细菌
•     4.2.2 沉积物细菌
•     4.2.3 附着细菌
•     4.2.4 浮游细菌、沉积物细菌和附着细菌组成比较
•   4.3 讨论
•     4.3.1 浮游细菌群落组成
•     4.3.2 沉积物细菌群落组成
•     4.3.3 附着细菌群落组成
•     4.3.4 不同微环境中细菌群落组成比较
• 第五章 穗花狐尾附着微生物功能及氮循环研究
•   5.1 研究区域与研究方法
•     5.1.1 研究区域
•     5.1.2 样品采集与处理
•     5.1.3 DNA提取,建库与宏基因组测序
•     5.1.4 数据质控和拼接组装
•     5.1.5 物种与功能注释
•   5.2 结果
•     5.2.1 群落组成
•     5.2.2 COG功能注释及丰度
•     5.2.3 氮循环相关基因功能及物种
•   5.3 讨论
• 第六章 全文结论与展望
•   6.1 全文主要内容与结论
•   6.2 课题的创新点
•   6.3 工作展望
• 附表
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的学术成果
• 攻读博士学位期间申请国家发明专利
• 攻读博士学位期间参加学术活动
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘巧

导师: 何培民

关键词: 杭州湾,穗花狐尾藻,生态修复,营养盐,浮游植物,浮游细菌,沉积物细菌,附着微生物

来源: 上海海洋大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 上海海洋大学

分类号: X55;X171.4

DOI: 10.27314/d.cnki.gsscu.2019.000224

总页数: 128

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