黄河入海口沉积物和水体中微生物群落的比较研究

摘要

自然环境中的微生物群落，尤其是原核微生物（细菌和古菌）在全球物质元素循环、能量流动及生态平衡维持过程中扮演着核心角色。入海口作为河海交汇、海陆交互的地带，盐度梯度及物质浓度梯度变化剧烈，使其承载着巨大的生态环境压力。而微生物作为生态平衡维持的主要参与者，在消除入海口生态环境负荷过程中发挥着无可替代的作用。黄河入海口位于黄河、渤海湾和莱州湾的交汇处，是胜利油田所在地，黄河携带的大量泥沙、陆源污染物以及来自周边人类活动的影响使得该地区生态环境极为复杂多变。目前，关于黄河入海口微生物群落研究的报道较少，对黄河入海口水体和沉积物中微生物群落丰度及多样性进行全面评估的研究更是未见报道。本研究选取了黄河入海口不同地理位置的5个典型采样点（A-E），在各点分别采集了沉积物和水体样品，通过定量PCR（qPCR）和高通量测序的方法，对该地区沉积物和水体中的细菌、古菌16S rRNA基因的丰度及多样性状况进行了全面地对比研究；通过结合理化因子的相关性分析，揭示该地区环境因子与微生物群落间的关系，主要结果如下：
　　（1）基于qPCR的结果显示，黄河入海口不同采样点沉积物中细菌16S rRNA基因丰度为6.44×107-1.74×109 copies/g，古菌为7.86×105-2.12×107 copies/g；水体中细菌16S rRNA基因丰度为6.23×105-1.16×107 copies/mL，古菌为2.13×103-4.10×104 copies/mL。黄河入海口单位质量的沉积物中微生物丰度明显高于水体；同一类型样品中的细菌丰度高于古菌；同一样品类型的细菌与古菌16S rRNA基因丰度之比与样品类型紧密相关，沉积物中这一比值小于100，而水体中该值则大于200；微生物丰度与理化因子的相关性分析则表明水体微生物丰度变化对环境因子（pH、溶解氧、铵态氮等）更为敏感。
　　（2）对水体和沉积物样品中微生物16S rRNA基因的高通量测序分别获得了细菌有效序列201836条、古菌有效序列86849条，平均每个样品的细菌有效序列约20000条、古菌有效序列约9000条。将序列按照97％的相似性进行OTU（操作分类单元）划分，细菌共获得35378个OTU，古菌共获得6704个。对OTU进行分类学鉴定后，共获得27个细菌门和4个古菌门及一定比例未分类的微生物。
　　（3）选择序列数相对比例大于1%的优势类群对沉积物和水体中微生物进行不同分类学水平上的比较分析。在细菌优势门（纲）水平，水体中α-变形菌纲、放线菌门、蓝细菌门和疣微菌门的相对比例显著高于沉积物；沉积物中的δ-变形菌纲、酸杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门、硝化螺旋菌门、螺旋体门、绿菌门及未分类的细菌相对比例显著高于水体；而β-变形菌纲、γ-变形菌纲、拟杆菌门、厚壁菌门、脱铁杆菌门和黏胶球形菌门等优势群落在沉积物和水体间相对比例差异不显著。在细菌优势科水平，水体中丛毛单胞菌科、嗜甲基菌科、红杆菌科、黄杆菌科等的相对比例比沉积物中更高；而沉积物中的中华杆菌科、厌氧绳菌科、亚硝化单胞菌科、脱硫杆菌科、脱硫叶菌科、硝化螺旋菌科等的相对比例高于水体。对于古菌群落，黄河入海口广古菌门和奇古菌门的序列数相对比例几乎各占了约50%，为黄河入海口的绝对优势古菌类群。在古菌优势纲水平，发现仅有盐杆菌纲和热原体纲的相对比例在水体和沉积物样品间存在显著的差异（P<0.05）。所有沉积物样品和水体样品采样点 E的古菌属水平优势群落结构更相似，优势群落包括鬃毛甲烷菌属、甲烷八叠球菌属、Nitrososphaera、Methanoregula、Nitrosoarchaeum等；水体样品 A、B、C、D四点的古菌群落更相似，其中亚硝化侏儒菌属占绝对优势（45.52%-50.87%）。以上微生物优势菌群，大多与碳、氮、硫等物质的高效代谢相关，暗示着黄河入海口微生物在清除该地区污染物、维持黄河口生态平衡过程中发挥着重要的作用。
　　（4）基于OTU水平的α-多样性分析表明，黄河入海口水体和沉积物中的细菌多样性高于古菌，沉积物中微生物多样性比水体更高，且细菌、古菌多样性均表现为近岸环境采样点更高。基于不同采样点门到属各分类学水平上的物种组成相似性聚类结果，若按细菌群落聚类则采样点能聚为差异较显著的水体、沉积物两大分支，而按古菌群落聚类则不能，这表明在水体和沉积物中细菌群落差异更为显著。基于细菌、古菌 OTU水平的β-多样性分析结果均表明，在位于入海口附近河水采样点E的水体样品与沉积物样品间有更为相似的OTU物种组成。
　　（5）环境因子与优势微生物群落的皮尔森（Pearson）相关性分析及冗余分析（RDA）均表明，相比沉积物而言，黄河入海口水体中的微生物群落对外界环境因子的响应更为敏感，其中 pH、盐度、溶解氧、硝态氮、铵态氮等是影响黄河入海口微生物群落的主要环境因子。

目录

声明

符号说明

1前言

1.1海洋中微生物及其主要生态功能

1.2微生物生态学研究技术与方法

1.3基于微生物分子生态学方法的微生物多样性研究现状

1.4黄河入海口生态及其微生物生态研究现状

1.5本研究的目的及意义

2 材料与方法

2.1材料

2.2方法

3结果与分析

3.1黄河入海口沉积物及水体理化因子特征

3.2黄河入海口微生物群落丰度

3.3黄河入海口微生物群落结构与分布特征

3.4黄河入海口微生物群落多样性

3.5黄河入海口微生物群落与理化因子关系

4 讨论

4.1黄河入海口微生物群落丰度分布特征

4.2黄河入海口沉积物及水体微生物多样性分布特点

4. 3黄河入海口沉积物和水体优势微生物群落特征及潜在功能

4.4 黄河入海口传统克隆文库法与高通量测序结果比较

5 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况