微生物群落构建和演替对石油污染物的响应研究

摘要

土壤生态系统是土壤中多种生物与环境通过物质、能量和信息交换，相互作用所构成的一个整体。土壤微生物是土壤中最活跃的组成部分，直接参与土壤的生物化学过程及生态功能发挥。然而石油污染土壤中微生物群落构建以及响应于石油污染物的微生物群落演替规律仍不清楚。本文针对陕西五个炼油厂附近石油污染土壤（相距46-360千米），研究长期石油污染土壤微生物的生物地理分布模式和生物多样性，探索丰富和稀有微生物的群落构建和生态地位;并对采自成阳和靖边两个地区污染土壤样本进行10个批次共100天的连续富集培养，通过添加不同污染物，包括:菲;正十八烷;菲+正十八烷;菲+正十八烷+氯化镉，探索有机污染物连续污染和降解过程中的微生物群落的演替机制。微生物群落的分析是采用16S rRNA基因V4-V5区的MiSeq高通量测序。分析结果如下:
　　(1)通过对石油污染土壤微生物群落构建的解析，发现pH、总石油烃、总氮、镉含量能显著影响微生物群落结构，微生物α-多样性与pH呈正相关关系而与总石油烃含量呈负相关关系。微生物群落相似度随着地理距离的增加不断减少，表现出显著的距离-衰减关系，说明微生物群落构建受空间距离和环境因子的共同驱动。通过方差分解分析，发现空间距离单独解释的微生物群落差异比环境变量大。通过共发生网络分析，确定了五个关键类群(Keystone)包括Rubrivivax、Nitrospira、Methylotenera、Methyloversatilis和Acidaminobacter，微生物共发生模式是非随机的且受微生物功能驱动。
　　(2)石油污染土壤中，稀有和丰富微生物有不同的分布模式，稀有微生物是特殊的、瞬时存在的，而丰富微生物是普遍的、持续存在的。通过功能预测，发现丰富微生物在一些主要代谢功能表现更高的活性，而稀有微生物包含更多的代谢功能多样性。同时，丰富和稀有微生物群落都表现出显著的距离-衰减模式，但它们受不同的因子驱动;丰富微生物主要受土壤因子驱动，而稀有微生物主要受地理因子驱动。通过共发生网络分析，比较子网络水平和节点水平上的拓扑特性差异，发现丰富微生物处在核心的生态地位，而稀有微生物则没有。
　　(3)不同污染物或组合能显著改变富集菌群微生物群落的演替方向，且菌群微生物丰富度，多样性和均匀度随着演替的进行不断降低。这些富集降解菌群主要由一些已知有降解石油烃功能的微生物组成，包括Acinetobacter、Gordonia、Sphingobium、Sphingopyxis和Castellaniella。而有一些新发现的微生物如Niabella和Naxibacter可能也参与石油烃的降解过程。不同降解菌群的共发生网络的差异，表明污染物能影响微生物之间的相互作用。
　　(4)通过maSigPro分析，发现在降解菌群富集过程中，不同污染物处理菌群有相同的动态变化模式，即持续增多（induction），持续减少（repression）和起伏变化(fluctuation)，而前两类是主要的动态变化模式。降解菌群中，物种-时间关系(STRs)和时间-衰减关系(TDRs)的指数比其他环境高如水，土壤，空气等，表明连续污染可以加快微生物群落的演替速率。不同降解菌群的条件稀有类群(CRTs)具有广泛且不同的系统发育多样性。
　　我们的研究结果揭示了不同地区的土壤，经长时间的石油污染，会形成相似的微生物类群，群落中稀有微生物没有处于核心的生态地位，但对于生态系统功能和多样性的维持起重要的生态作用。污染物决定微生物群落的演替方向，且持续污染可以加快微生物群落演替速率。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 土壤生态系统的污染现状

1．3 微生物生物地理分布

1．3．1 微生物生物地理学研究意义及存在问题

1．3．2 微生物的空问分布

1．3．3 微生物生物地理分布机制

1．3．4 生态位理论和中性理论

1．4 微生物群落演替

1．4．1 微生物演替分类

1．4．2 微生物演替机制

1．4．3 微生物演替模型

1．4．4 微生物演替研究进展

1．5 条件稀有类群(Conditional rare taxa；CRT)

1．5．1 稀有类群和微生物群落动态变化

1．5．2 丰度-占有率关系

1．5．3 条件稀有类群的研究挑战

1．6 本研究立题依据和研究意义

第二章 石油污染土壤微生物群落构建与生物多样性研究

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 污染土壤采集

2．2．2 16S rRNA基因的高通量测序

2．2．3 数据分析

2．3 结果与分析

2．3．1 污染土壤理化性质

2．3．2 微生物群落组成

2．3．3 微生物群落与环境因子

2．3．4 微生物群落的空间分布

2．3．5 微生物群落的差异分解分析

2．3．6 共发生网络分析

2．4 讨论

2．4．1 环境因子对微生物群落结构的影响

2．4．2 空间距离对微生物群落构建的影响

2．4．3 石油污染土壤微生物的共发生模式

2．5 小结

第三章 稀有和丰富微生物的生物地理分布和生态地位

3．1 引言

3．2 数据分析

3．3 结果与分析

3．3．1 丰富、稀有、核心微生物的一般分布模式

3．3．2 丰富和稀有类群的分类和功能分布

3．3．3 不同微生物子群落β-多样性模式和驱动因子

3．3．4 不同微生物子群落共发生模式

3．4 讨论

3．4．1 稀有和丰富微生物的不同分布模式

3．4．2 丰富和稀有微生物的生物地理分布模式和不同的驱动因子

3．4．3 稀有微生物的非核心生态地位

3．5 小结

第四章 石油烃降解微生物菌群的驯化富集及群落演替研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 样品采集

4．2．2 富集培养

4．2．3 有机污染物降解率的测定

4．2．4 16S rRNA基因的高通量测序

4．2．5 数据分析

4．3 结果与分析

4．3．1 不同菌群污染物的降解

4．3．2 不同降解菌群的群落结构

4．3．3 微生物群落的演替

4．3．4 不同菌群的共发生网络分析

4．4 讨论

4．5 小结

第五章 微生物群落响应不同污染物的时间动态模式

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 样品采集

5．2．2 数据分析

5．3 结果与分析

5．3．1 富集菌群的细菌组成

5．3．2 污染相关的微生物模式

5．3．3 微生物群落时问动态模式

5．3．4 物种-时问关系(STR)和时间-衰减关系(TDR)

5．3．5 条件稀有类群(CRT)

5．4 讨论

5．5 小结

第六章 结论与创新点

6．1 结论

6．2 创新点

参考文献

附录

致谢

作者简介