提高底栖生物水质生物评价可靠性的两种方法：自然变量影响的控制和物种DNA条形码鉴定

摘要

大型底栖无脊椎动物和底栖硅藻是目前国内外在研究淡水生态系统健康和水质监测方面应用最广的指示生物。但由于水生生态系统受到的干扰因素包括自然变异和人为干扰、用于研究的指示生物类型的不同以及利用传统形态学对物种鉴定上存在的局限性等，致使研究者们在研究生物群落健康和环境因子的关系时，研究结果的准确性和精确性受到一定的影响。另外，理解不同水生生物群落和环境因子的响应关系是实现水生态系统管理和可持续发展的基础。针对以上问题，本文主要是1）利用随机森林模型(Random Forests，RF)控制自然变量的影响，探究控制自然变量对底栖硅藻和底栖动物多参数指数(Multimetric index，MMI)表现力的影响和这两种类群MMI的比较研究;2）对比形态学和DNA条形码技术鉴定底栖动物，探究底栖动物群落与环境因子间的关系。
　　通过中国西北部干旱溪流（新疆额尔齐斯河流域）31个点位的底栖硅藻、底栖动物和环境数据。利用RF模型控制自然梯度，构建底栖硅藻和底栖动物的多参数生物指数，我们研究控制自然变量后底栖硅藻和底栖动物MMI表现力的变化情况，我们还探究了这两种生物类群的MMI对干扰响应的一致性。随机森林模型的结果表明底栖硅藻和底栖动物指数与自然环境的变异高度相关;底栖硅藻参数对气候变量（例如:降水和温度）的响应更敏感，底栖动物参数则对地形变量（例如:海拔范围和流域地形）更加敏感。剔除自然梯度影响后的底栖硅藻MMI比底栖动物MMI有更高的精确性和响应性。以底栖硅藻和底栖动物为指示生物计算的MMI对人为干抚的响应及其构建的MMI评价溪流生态健康的结果并不一致。这个结论一方面支持了控制自然变量可以提高评价结果的准确性和可靠性。另一方面也说明了应当利用具有不同生态学和生物特征的多个水生生物群落来评估生态健康。
　　在水质生物监测与评价领域，关于生物鉴定水平是否改变或提高评价结果的可靠性，仍存在不少争议。以太湖流域为研究对象，分析采集到的20个样点的生物数据、环境数据，首先通过形态学完成所有底栖动物的鉴定，并进一步对摇蚊科幼虫开展DNA条形码分析，探究摇蚊科幼虫鉴定到物种水平对底栖动物群落与环境关系的影响。研究结果表明太湖流域20个样点共采集4纲12目113个分类单元，其中摇蚊30个分类单元（区分到属）。以5％的遗传距离作为划分物种的依据，共得到95个摇蚊DNA可操作性分类单元数(MOTU)，其中河流、太湖和溪流通过利用DNA条形码鉴定比形态学鉴定出的分类单元数分别多3、1和53，合计多65个分类单元。典范对应分析(CCA)表明，群落与环境间的关系在形态学和DNA鉴定结果间无明显差异，一般线性模型(GLM)分析表明，环境因子对物种丰富度、香农-威纳指数、辛普森指数和均匀度指数的解释量在形态学和DNA鉴定结果间无明显差异。我们的结果说明:1）在太湖流域利用DNA条形码技术增加了物种的丰富度和对环境的敏感度。2）仅提高摇蚊鉴定水平可能并不能够明显改变环境与底栖动物群落之间的关系。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 水质生物监测与评价

1．2 底栖硅藻和大型底栖无脊椎动物

1．2．1 底栖硅藻在淡水生态系统中的应用

1．2．2 大型底栖无脊椎动物在淡水生态系统中的应用

1．2．3 生物完整性指数或多参数生物指数

1．3 环境因子对底栖生物群落的影响

1．4 DNA条形码技术

1．5 研究的目的和内容

第二章 材料与方法

2．1 研究区域

2．2 采样点位的选择

2．3 样品的采集

2．3．1 大型底栖动物的采集方法及鉴定

2．3．2 底栖硅藻的采集方法及鉴定

2．4 环境变量的测定

2．5 自然预测因子的采集

2．6 DNA条形码的获取

2．6．1 实验的器材

2．6．2 摇蚊DNA的提取

2．6．3 COI基因的PCR扩增

2．6．4 PCR产物电泳检测

2．6．5 序列的处理

第三章 自然变量的控制对底栖硅藻和底栖动物MMI指数表现力影响的比较研究

3．1 统计分析

3．1．1 环境梯度

3．1．2 MMI的构建

3．1．3 MMI的表现力和生物状态分析

3．1．4 MMI和胁迫因子之间的关系

3．2 结果

3．2．1 环境梯度

3．2．2 MMI的构建

3．2．3 MMI的表现力

3．2．4 理化状况与生物受损情况的关系

3．2．5 MMI和环境因子之间的关系

3．3 讨论

3．3．2 干旱溪流的生物状况

3．3．3 生物完整性对胁迫因子的响应

第四章 基于DNA条形码及形态学鉴定对太湖流域底栖动物群落与环境因子关系的研究

4．1 统计分析

4．1．1 多样性指数和环境变量

4．2．1 大型无脊椎动物

4．2．2 大型无脊椎动物群落与环境关系

4．2．3 多样性指数对环境因子的响应

4．3 讨论

全文总结

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢