重金属Cd胁迫下南美蟛蜞菊入侵对土壤微生物群落结构及其代谢活性的影响

摘要

随着人类活动的日益增加，导致了全球性的环境变化，如生物入侵。作为全球变化的重要组成部分之一，外来生物引起的生物入侵已对入侵地的生态系统结构及其功能造成了多重影响。所以，随着入侵植物的入侵程度加重，外来生物成功入侵的机制逐渐受到生态学家的日益关注。入侵植物成功入侵的主因之一就是促进其根际土壤微生物群落结构的演替、强化微生物群落功能的发挥，进而创造更好的土壤微环境，反过来进一步加剧其入侵进程。而且，由于土壤微生物对外界环境变化的响应速度敏感，已被作为生态安全的重要指标之一。另外，随着诸如工业发展、废水灌溉、污泥利用、固体废物处置以及排放汽车尾气等人为活动的频度和强度的增强，重金属污染也日益严重。这使得外来植物的入侵机制更趋于复杂化和多样化。所以，分析重金属污染背景下入侵植物对土壤微生物的影响对了解入侵植物的入侵机制具有举足轻重的作用。该研究结果将对更清楚认识以重金属为代表的全球环境变化背景下外来植物成功入侵的机理及其防控具有重要的理论和实际意义。
　　 本实验选取被世界自然保护联盟列为100种恶性外来入侵物种的南美蟛蜞菊(Wedeliatrilobata)及其本土近缘种卤地菊(W.prostrata)为研究对象，探究了土壤环境中微生物生理学指标在不同浓度镉(Cd)(0、25、50、100、200mgkg-1)处理下不同植物、苯菌灵(100mgkg-1)处理的动态变化，并通过以DGGE技术为代表的分子生物学技术手段来分析在不同Cd浓度胁迫背景下入侵植物对土壤微生物群落结构及其代谢活性的影响。
　　 本实验主要研究结果如下:
　　 1.重金属Cd显著降低了植物的叶片数、茎长度、茎节数、叶鲜重、茎鲜重及根鲜重，而且除了根鲜重之外，Cd对叶片数、茎长度、茎节数、叶鲜重、茎鲜重的影响均是随Cd梯度浓度的增大而增大。
　　 2.重金属Cd显著影响了土壤pH值，而且随着浓度增大，影响越明显;两种植物相比，南美蟛蜞菊处理条件下土壤pH值显著高于卤地菊处理，表明南美蟛蜞菊的入侵显著提高了土壤pH值，这可能是由于南美蟛蜞菊通过提高土壤pH值降低重金属的溶解性，即降低重金属的毒性，从而进一步提高其入侵性。
　　 3.重金属Cd对微生物蛋白质量无显著性影响，而且南美蟛蜞菊土壤中微生物蛋白质量明显高于卤地菊土壤中的蛋白质含量，这可能是由于南美蟛蜞菊通过加速土壤的氮循环，增强了土壤微生物群落的演替，进而促进其进一步的入侵。
　　 4.重金属Cd显著降低了总球囊霉素相关土壤蛋白的浓度，在南美蟛蜞菊加苯菌灵和卤地菊加苯菌灵两种处理下，Cd显著降低了易提取球囊霉素相关土壤蛋白的浓度。两种植物相比，卤地菊土壤中易提取球囊霉素相关土壤蛋白的浓度显著高于南美蟛蜞菊。
　　 5.重金属Cd显著降低了土壤碱性磷酸酶、土壤脲酶和土壤过氧化氢酶的活性，并且随着Cd浓度的增大其效益也随之增大。两种植物相比，南美蟛蜞菊土壤中碱性磷酸酶的活性显著低于卤地菊，而土壤中脲酶的活性无显著性差异。这可能是由于南美蟛蜞菊通过加速营养循环，尤其是磷循环，从而进一步提高其入侵力。
　　 6.南美蟛蜞菊显著改变土壤微生物群落。其中通过对优势条带的回收测序，证明PCR-DGGE实验检测出的细菌显著条带序列可能属于根瘤菌、反硝化细菌、β-变形杆菌属、芽胞杆菌属、不动杆菌属、不可培养细菌等;真菌显著条带序列可能属于齿梗孢属、德巴利氏酵母属、内养囊霉属、隐球菌属、酵母属等。南美蟛蜞菊显著改变土壤微生物群落及其功能可能在其进一步的入侵进程中扮演着举足轻重的角色。
　　 7.南美蟛蜞菊和卤地菊根际土壤细菌群落的多样性和均匀度均无显著差异，但在大多数处理条件下南美蟛蜞菊入侵增加了真菌群落的多样性，但仅在苯菌灵存在的情况下南美蟛蜞菊入侵增加了真菌群落的均匀度。而苯菌灵对土壤细菌群落的多样性和均匀度无显著影响，却抑制了土壤真菌群落的多样性和均匀度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 入侵植物

1．1．1 入侵植物对土壤特性的影响

1．1．2 入侵植物对土壤微生物群落的影响

1．1．3 入侵植物对土壤酶活性的影响

1．2 重金属污染

1．2．1 重金属对土壤微生物群落的影响

1．2．2 重金属对土壤酶活性的影响

1．3 苯菌灵污染

1．4 DGGE技术

1．4．1 DGGE原理及其方法

1．4．2 DGGE技术在微生物研究中的应用

1．5 本课题主要研究内容

第二章 材料与方法

2．1 供试土壤和实验设计

2．2 土壤基本理化性质及生物量的测定

2．2．1 土壤pH值的测定

2．2．2 植物生物量的测定

2．2．3 土壤微生物蛋白质浓度的测定

2．2．4 球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)的测定

2．3 土壤酶活性的测定

2．3．1 碱性磷酸酶活性测定

2．3．2 脲酶活性测定

2．3．3 过氧化氢酶活性测定

2．4 土壤微生物种群结构的PCR-DGGE分析

2．4．1 土壤微生物总DNA的提取

2．4．2 PCR扩增

2．4．3 DGGE电泳

2．5 测序及数据分析

第三章 结果和分析

3．1 土壤pH值的变化情况

3．2 地上生物量的变化情况

3．3 土壤微生物蛋白质浓度的影响

3．4 球囊霉素相关土壤蛋白的影响

3．4．1 总球囊霉素相关土壤蛋白的影响

3．4．2 易提取球囊霉素相关土壤蛋白的影响

3．5 土壤酶活性的影响

3．5．1 土壤碱性磷酸酶活性(ALP)的影响

3．5．2 土壤脲酶活性(UREA)的影响

3．5．2 土壤过氧化氢酶活性(CAT)的影响

3．6 土壤微生物群落结构的PCR-DGGE分析

3．6．1 土壤微生物总DNA的提取

3．6．2 土壤总DNA的16s rRNA、18s rRNA基因片段的PCR扩增

3．6．3 16s rRNA和18s rRNA基因片段DGGE图谱分析

3．7 讨论

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文