钾质粗面岩表生细菌生物多样性与伯克霍尔德氏菌促进矿物风化生理机制研究

摘要

钾质粗面岩属于火成岩，一般含有碱性长石、斜长石、石英、铁镁矿物等矿物组分。微生物广泛分布于各种地质环境中，是地质生态系统的重要组成部分。微生物与岩石（矿物）的相互作用是自然界中广泛发生的一种重要地质现象。钾质粗面岩作为自然界中分布最广泛的富钾岩石之一，对其表生细菌的生物多样性和矿物风化机制的研究，不仅可以丰富微生物资源库、基因库，还为生物地球化学循环、土壤的形成以及土壤肥力的维持提供了理论依据。
　　本研究采集了钾质粗面岩、野青茅根、根际和非根际土壤样品作为实验对象，采用Illumina Miseq高通量测序技术研究钾质粗面岩、土壤和野青茅根样品细菌种群结构及多样性，并结合样品理化因子分析细菌种群结构与理化因子的相关性。同时从钾质粗面岩中筛选出一株矿物风化能力高效和一株矿物风化能力低效的伯克霍尔德氏菌株，研究其在不同环境条件下对矿物风化效果及方式差异，分析伯克霍尔德氏菌风化矿物的生理学机制。
　　高通量测序表明，野青茅根际土RS(1699)和非根际土BS(1728)的OTU数目明显高于野青茅根RI(1111)、高风化MR(691)和低风化岩石LR样品(493);系统发育分析表明，低风化和高风化的岩石样品、根际土和非根际土样品以及野青茅根样品分别包含13、18、19、22和21个菌门，其中Proteobacteria(25.38％)、Chloroflexi(23.34％)、Actinobacteria(18.02％)、Acidobacteria(15.93％)为共有优势菌门，占总菌门的82.67％;其中BRC1、Microgenomates是非根际土样品中特有的菌门，Tenericutes是野青茅根样品中特有的菌门。主成分分析(PCA)表明，风化程度对钾质粗面岩表生细菌群落结构有重要影响，根际土壤和非根际土壤样品细菌种群结构相似，与岩石样品以及野青茅根样品间细菌种群结构存在显著差异。相关性分析结果表明，钾质粗面岩中pH、OM、有效态Mg、 Ca、Si、Al、Mn、Cu对细菌优势种群的分布有显著影响。
　　为研究伯克霍尔德氏菌对矿物的风化效应。本研究从钾质粗面岩和野青茅根、根际和非根际土壤中分离筛选到12株具矿物风化效应的伯克霍尔德氏菌。通过菌株16SrDNA序列分析，这12株伯克霍尔德氏菌分别属于6个种群，同时研究了伯克霍尔德氏菌对钾长石和黑云母的溶解效应与菌株的生物学特性。结果表明，供试伯克霍尔德氏菌从钾长石中释放出的Si、Al分别比对照增加了23.7-119％、2.1-20.8倍，从黑云母中释放出的Si、Al分别比对照提高了11.9-181％、5.3-321％。另外，不同的伯克霍尔德氏菌产铁载体能力不同，而且对温度、pH和盐浓度具有一定的耐受性。
　　筛选一株高效矿物风化能力的菌株Burkholderia sp.F22和一株低效矿物风化能力的菌株Burkholderia sp.G34作为供试菌株，研究其在不同培养条件下对矿物的风化特点以及多种代谢产物的差异。结果表明，菌株F22从矿粉中释放Fe、Al和Si元素的量分别比对照增加了2.1-185、2-254、1.8-9.8倍;菌株G34从矿粉中释放Fe、Al和Si元素的量分别比对照增加了1.7-139、2-180、1.9-4.7倍;菌株F22对矿粉中Fe、Al的元素释放能力是菌株G34的3.1-218、1.7-49倍。Fe、Al元素表现出明显的协同溶出现象。菌株F22发酵液和矿物表面的菌体总量显著低于菌株G34，但其矿物表面菌体量与总菌量的比值是菌株G34的1.4-275倍，且菌株F22代谢能力更强。在葡萄糖含量充足的条件下菌株F22葡萄糖酸和多糖产量最高，分别达到15.6±0.3μmol;42.6±3.7μg。相关性分析表明有机酸及多糖产量与矿物溶解速度具有显著相关性。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

第一节 岩石和土壤微生物多样性及其研究进展

1．岩石和土壤微生物多样性的研究内容

2 保护岩石和土壤微生物多样性的意义

3 岩石和土壤微生物多样性的研究进展

4 岩石和土壤微生物多样性的影响因素

5 岩石和土壤微生物多样性的研究方法

第二节 矿物-微生物相互作用的机制研究

1 矿物-微生物相互作用的研究意义

2 矿物对微生物生长的影响

3 微生物对矿物的风化机制

第三节 本课题研究的目的与意义

第二章 钾质粗面岩表生细菌多样性及其影响因素研究

1 材料

1．1 样品采集

1．2 仪器设备及试剂

2 实验方法

2．1 样品理化性质测定

2．2 样品中细菌总DNA提取

2．3 细菌16S rRNA基因V3-V4区PCR扩增及高通量测序

2．4 数据分析

3 结果与分析

3．1 样品理化因子分析

3．2 不同样品细菌种群结构分布

3．3 环境因子对不同样品细菌种群结构的影响

4 讨论

4．1 Illumina Miseq高通量测序技术的优势

4．2 不同样品的细菌种群结构分析

第三章 伯克霍尔德氏菌的筛选及其生物学特性研究

1 材料

1．1 供试菌株

1．2 供试矿物

1．3 培养基

2 试验方法

2．1 可培养细菌的分离与纯化

2．2 伯克霍尔德氏菌的筛选

2．3 摇瓶条件下伯克霍尔德氏菌对硅酸盐矿物的溶解效应

2．4 伯克霍尔德氏菌株生物学特性研究

2．5 数据处理

3 结果

3．1 伯克霍尔德氏菌的鉴定

3．2 菌株对钾长石和黑云母的溶解作用

3．3 菌株产铁载体能力

3．4 菌株对环境的适应能力

4 结论

第四章 不同环境条件下伯克霍尔德氏菌促进矿物风化生理机制的研究

1 材料

1．1 供试菌株

1．2 供试矿物

1．3 培养基

1．4 主要试剂

2．1 摇瓶条件下菌株风化特性动态试验

2．2 发酵液pH值及元素含量的测定

2．3 细菌数量的测定

2．4 发酵液中还原糖含量的测定

2．5 发酵液中铵态氮含量的测定

2．6 发酵液中粗多糖含量的测定

2．7 发酵液中有机酸含量的测定

2．8 发酵液中菌体脱氢酶活性的测定

3 结果

3．1 供试菌株对不同矿粉的风化作用

3．2 不同葡萄糖量条件下供试菌株矿物风化能力比较

3．3 不同初始pH条件下供试菌株风化能力比较

3．4 不同温度培养条件下供试菌株矿物风化能力比较

4 讨论

全文总结

本文创新之处

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表论文

致谢