潮滩沉积物微生物群落表征及其对污染物的响应研究

潮滩沉积物微生物群落表征及其对污染物的响应研究

论文摘要

河口潮滩湿地是陆地、海洋和大气之间多种环境过程相互作用的活跃地带。微生物群落对河口潮滩湿地内生物地球化学循环有重要的调节作用。潮滩表层沉积物中的微生物容易受到自然环境要素和人为因素干扰的影响。在潮汐等环境作用的影响下,潮滩表层沉积物周期性的暴露于空气中和浸没于潮水中,沉积物内物理、化学、生物等环境要素变化剧烈,从而影响沉积物内的微生物群落的生长和呼吸作用。潮滩表层沉积物里的微生物群落对潮滩环境的变化敏感,可以作为潮滩生态环境的指示生物。目前我们对潮滩内的微生物群落在大尺度时空差异下的变化规律的认识相对有限。研究河口潮滩湿地的微生物群落结构与生态功能以及其在环境扰动下的变化规律具有重要科学和现实意义。本论文采集了长江口7个典型潮滩的沉积物,运用16S rRNA高通量测序方法,对沉积物内的微生物群落进行了表征,分析了潮滩微生物的菌群结构与生态功能在不同季节、不同盐度下的变化规律,阐述了环境要素对菌群结构及生态功能的影响。研究表明潮滩沉积物内菌群整体结构对潮滩生态环境有重要的指示作用。长江口近岸潮滩内微生物菌群多样性水平与丰富度互为显著的正相关性;微生物群落整体丰富度与沉积物内总有机碳浓度显著负相关;微生物群落整体多样性水平与沉积物内总磷浓度显著负相关。长江口潮滩沉积物内微生物优势菌群的组成稳定,按相对丰度值由高到低依次为变形菌门(45.35%)、酸杆菌门(9.96%)、绿弯菌门(9.38%)、疣微菌门(6.59%)、厚壁菌门(6.54%)、浮霉菌门(5.60%)、拟杆菌门(5.44%)、放线菌门(2.62%)、硝化螺旋菌门(0.89%)和蓝细菌(0.22%),总丰度量约占整体群落的92.625%。长江口潮滩沉积物内菌群的整体结构(菌群β多样性)随季节更替呈现明显的四季变化规律,菌群整体结构在雨季和旱季呈现显著差异。潮滩沉积物内菌群的组成多样性随着层级水平递进(门、纲、目、科、属)而增加,优势细菌(相对丰度>1%)在层级水平方向的组成成员,在季节更替中没有显著的变化。在潮滩沉积物内微生物群落中,部分优势细菌在层级水平方向的相对丰度,在季节更替中呈现显著差异。在潮滩沉积物内的优势菌群中,上层级疣微菌门(Verrucomicrobia)及其下属层级(纲Verrucomicrobiae、目Verrucomicrobiales、科Verrucomicrobiaceae和属Luteolibacter)的相对丰度均随着季节交替呈现显著差异。这表明潮滩沉积物内的菌群在层级垂直方向的多样性会影响此类菌群的相对丰度在季节差异下的变化规律。潮滩沉积物总有机碳、总磷和pH值,均是解释潮滩沉积物内优势菌群(门、纲、目、科、属)组成与丰度变化规律的显著环境因子,其中总有机碳的解释贡献最明显。潮滩沉积物内微生物群落调控的生态功能的组成成分在季节更替中没有显著的变化。长江口潮滩沉积物内微生物群落调控着氮循环中的硝化作用与反硝化作用。硝化作用与反硝化作用二者之间呈现明显的耦合关系。长江口潮滩沉积物内的硝化作用与反硝化作用受到总氮浓度的影响。当沉积物内总氮浓度增加,微生物群落的反硝化作用的贡献逐渐加强并占据主导地位。微生物菌群整体结构在长江口不同盐度的潮滩内呈现显著差异。在不同盐度的潮滩内沉积物的总硫浓度、总氮浓度和总磷浓度差异显著。冗余分析结果表明沉积物中的总硫和总氮是解释微生物全部菌属的组成与丰度变化规律的显著环境因子。微生物菌群在空间差异下的变化规律是对潮滩综合环境条件的响应。优势细菌纲Deltaproteobacteria(平均相对丰度>10%)调控长江口潮滩内含硫化合物的呼吸作用。含硫化合物的呼吸作用是长江口潮滩内重要的物质循环进程,其贡献率与潮滩的盐度呈现显著的正相关性。潮滩沉积物内总有机碳浓度与总氮浓度,与Deltaproteobacteria的相对丰度及其调控的含硫化合物的呼吸作用的贡献率,呈现出显著的负相关性。研究结果表明菌群的生态功能由功能性菌群所调控,功能菌群在环境差异下的丰度差异,会引起菌群生态功能贡献程度的差异。长江口潮滩内的环境条件变化剧烈,微生物群落中优势菌群的组成成员和菌群调控的生态功能的主要类别并没有呈现显著的环境差异,反映了长江口潮滩沉积物内微生物群落对河口复杂环境的适应性。长江口潮滩沉积物内微生物群落的表征结果可以为未来探究长江口潮滩内生物地球化学循环作用提供科学依据。潮滩沉积物是河口区域内污染物的汇集地。重金属在表层沉积物内的赋存和环境行为相对复杂,且容易与活跃在表层沉积物内的微生物菌群发生相互作用。论文对长江口近岸潮滩和崇明东滩的沉积物内重金属污染物进行环境风险评估,并阐明了重金属污染物对菌群结构及生态功能的影响。论文引入重金属的积累指数评估长江口潮滩内重金属的污染水平,结果表明河口潮滩内微生物群落对重金属污染有重要的指示作用。长江口近岸潮滩和崇明东滩内重金属分别处于中度污染水平和轻度污染水平。冗余分析发现Zn是影响微生物菌群中优势门、纲、目、科组成及丰度的显著因子。重金属Zn的污染水平与阈值效应浓度正相关,可以作为潮滩内重金属污染的指示因子。不同的微生物优势菌群对重金属响应的敏感和适应程度有明显区别。长江口潮滩沉积物内微生物群落中优势细菌绿弯菌门及其下属层级对重金属Zn和Cr均有一定的耐受性;优势细菌酸杆菌门,优势细菌目Nitrosomonadales和Burkholderiales,和优势细菌科Comamonadaceae对五种重金属的综合污染水平有一定的适应性。优势细菌目Desulfobacterales和优势细菌科Desulfobulbaceae对重金属Zn和Cu均表现为一定的敏感性;优势细菌目Desulfobacterales和Rhodobacterales,优势细菌科Rhodobacteraceae对潮滩内五种重金属综合的污染水平有一定的敏感性。长江口潮滩沉积物内重金属Zn和Cu的浓度与菌群调控的含硫化合物的呼吸作用的贡献率呈显著负相关性。菌群调控的含硫化合物的呼吸作用对潮滩内Zn和Cu的污染水平相对敏感,并且对潮滩内五种重金属综合污染的污染水平相对敏感。冗余分析进一步验证了Zn是影响这12个细菌科(属于Desulfobacterales的分支)的组成与丰度的显著因子。以上结果表明潮滩重金属可以通过影响潮滩功能性菌群的组成与相对丰度,进而影响潮滩菌群所调控的含硫化合物的呼吸作用。纳米银具有独特的抗菌特性,是目前使用量较高、应用较为广泛的新型抗菌污染物。潮滩表层沉积物是纳米银的重要归趋。论文选取长江口潮滩沉积物中芽孢杆菌属(Bacillus)作为代表性环境微生物,对河口环境和实验介质中的纳米银理化性质进行研究,阐述了纳米银对环境细菌(枯草芽孢杆菌,Bacillus subtilis)的毒性效应及作用机制。研究表明纳米银可以随着迁移转化最终沉降至表层沉积物,增加了与表层沉积物内微生物群落的相互作用几率,进而对沉积物中的细菌产生潜在的毒性效应。低浓度(900μg/L)的纳米银对枯草芽孢杆菌的生长和活性均有明显的抑制作用,并呈现出明显的剂量效应关系。用透析膜阻断纳米银与枯草芽孢杆菌的接触,枯草芽孢杆菌的存活率会显著上升。通过扫描电子显微镜的观察,发现纳米银暴露会明显破坏枯草芽孢杆菌的表面形态和结构。这表明纳米银通过表面接触作用产生毒性效应,从而降低环境细菌枯草芽孢杆菌的相对丰度。纳米银的环境行为会影响环境中纳米银的微生物毒性效应。研究发现河口水体中纳米银容易团聚,与悬浮细菌的接触几率下降,因此河口水体中纳米银的毒性效应比其在实验介质中低。论文从环境样品中筛选出符合要求的枯草芽孢杆菌为研究对象,为认识环境中污染物的生态毒理效应提供了更相关的科学数据。纳米银在河口复杂环境条件下的环境行为,及其对微生物细菌的毒性效应及作用机制,可以为深入理解潮滩环境中新型污染物的生态毒理效应提供科学参考。长江口潮滩沉积物内微生物菌群结构和生态功能呈现出显著的时间、空间差异。微生物菌群多样性和丰度对环境差异的响应,会影响微生物菌群生态功能的贡献。潮滩沉积物内重金属浓度与菌群丰度的相关性,反映了菌群对重金属污染的敏感性和适应性。通过毒理学实验的深入探究发现,环境中的污染物与微生物的接触作用是导致污染物毒性效应的关键。论文系统地研究并阐释了长江口潮滩沉积物内微生物群落的变化规律以及其对污染物的响应,对潮滩生态环境的保护具有重要科学参考价值。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 中英文名词对照及缩写索引
  • 第一章 绪论
  •   1.1 问题的提出与研究意义
  •   1.2 潮滩湿地中的微生物群落
  •   1.3 自然环境因素对微生物群落的影响
  •   1.4 河口潮滩污染物及其对微生物群落的影响
  •   1.5 环境微生物表征及其对污染物响应的研究方法
  •   1.6 论文研究背景、研究目标与研究内容
  •   1.7 技术路线
  • 第二章 长江口潮滩沉积物微生物群落的表征
  •   2.1 前言
  •   2.2 研究方法
  •     2.2.1 采样点的环境特征
  •     2.2.2 沉积物样品采集
  •     2.2.3 沉积物样品理化性质表征
  •     2.2.4 沉积物总DNA提取及16S rRNA高通量测序
  •     2.2.5 微生物群落数据分析
  •     2.2.6 基因序列号
  •   2.3 研究结果
  •     2.3.1 长江口潮滩沉积物微生物整体群落结构的表征
  •     2.3.2 微生物群落结构及生态功能在不同季节内的变化规律
  •     2.3.3 微生物群落结构及生态功能在不同盐度的潮滩内的变化规律
  •   2.4 讨论
  •   2.5 小结
  • 第三章 长江口潮滩沉积物微生物菌群对重金属的响应
  •   3.1 前言
  •   3.2 研究方法
  •     3.2.1 沉积物样品采集
  •     3.2.2 沉积物内重金属浓度测定
  •     3.2.3 沉积物重金属的环境风险评估方法
  •     3.2.4 沉积物总DNA提取及16S rRNA高通量测序
  •     3.2.5 微生物菌群数据分析
  •     3.2.6 微生物菌群结构及生态功能与重金属的相关性分析
  •     3.2.7 基因序列号
  •   3.3 研究结果
  •     3.3.1 长江口潮滩沉积物内重金属的环境风险分析结果
  •     3.3.2 长江口潮滩沉积物内重金属污染物对优势菌群结构的影响
  •     3.3.3 优势菌群的相对丰度与重金属浓度的相关性分析结果
  •     3.3.4 优势菌群的相对丰度与重金属Igeo指数的相关性分析结果
  •     3.3.5 菌群的生态功能贡献率与重金属浓度的相关性分析结果
  •     3.3.6 菌群的生态功能贡献率与重金属Igeo指数的相关性分析结果
  •     3.3.7 长江口潮滩沉积物内重金属对硫循环菌群结构的影响
  •   3.4 讨论
  •   3.5 小结
  • 第四章 纳米银对环境微生物的毒性效应及其机制分析
  •   4.1 前言
  •   4.2 研究方法
  •     4.2.1 环境水样品的采集
  •     4.2.2 纳米银颗粒的理化性质表征
  •     4.2.3 环境微生物模式细菌的筛选及培养
  •     4.2.4 细菌的培养与收集
  •     4.2.5 细菌生长速率的测定
  •     4.2.6 细菌存活率的测定
  •     4.2.7 环境因子对纳米银毒性的影响实验设计
  •     4.2.8 纳米银微生物毒性作用机制实验设计
  •     4.2.9 纳米银暴露后细菌的形态观察
  •     4.2.10 统计分析
  •   4.3 研究结果
  •     4.3.1 纳米银在不同水环境条件下的行为表征
  •     4.3.2 实验条件和环境水样中下纳米银对细菌生长及活性的影响
  •     4.3.3 不同环境要素对纳米银毒性效应的影响
  •     4.3.4 纳米银对环境细菌的潜在毒性作用机制分析
  •   4.4 讨论
  •   4.5 小结
  • 第五章 结论与展望
  •   5.1 主要结论
  •   5.2 论文特色与创新
  •   5.3 研究的局限性与展望
  • 参考文献
  • 作者简历及在学期间科研成果
  •   作者简历
  •   攻读学位期间参与科研项目
  •   攻读学位期间科研成果
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 衣俊

    导师: 程金平

    关键词: 潮滩沉积物,微生物,群落结构,生态功能,污染物

    来源: 华东师范大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 生物学,海洋学,环境科学与资源利用

    单位: 华东师范大学

    基金: 国家自然科学基金(41101489),华东师范大学高层次人才经费(79631916),广东省自然科学基金(S2012010010847),教育部新世纪优秀人才计划项目(NECT -12-0181)

    分类号: X55;Q938

    总页数: 266

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