千岛湖浮游植物群落结构多样性及其鉴定方法的研究

摘要

浮游植物群落结构的时空变化对于水体的生态系统稳定具有重要意义，其变化规律受各种自然或非自然因素的影响。在亚热带地区四季较为分明，藻类受季节的影响呈现较为明显的演替规律，然而由于地理位置的差异，不同水体中差异较为明显，即便同一水体不同地方如入水口、湖心、出水口的水文环境也表现出一定的空间差异性。对于千岛湖这种以保水渔业为主的大型深谷型淡水湖泊而言，其特殊的环境条件必然会导致藻类群落结构的变化规律与其他湖泊不同，而且环境因子对藻类的影响也可能存在差异。本研究于2013-2014年对千岛湖不同站点间浮游植物群落的变化进行了分析并与环境因子做了相关性研究，为千岛湖生态系统的长期监测积累数据，也为千岛湖保水渔业的顺利延续提供数据支撑。本研究也对2010年5-12月的藻类分别做了镜检和高通量测序，分析了两者之间的差异性，以期为探索高通量测序法在浮游植物群落结构研究中的应用提供参考依据。所得主要结果如下。 1.2013至2014年逐月对千岛湖的浮游植物进行监测，总共鉴定出浮游植物363种(属)，隶属于8门107属（包含变形及变种）。其中主要门类为蓝藻门（18属42种）、绿藻门（47属155种）和硅藻门（28属129种）。S1站点种类数最为丰富，其次是S4站点，再者是S9站点，混合取样点S3和S8站点种类数最少，各站点均以绿藻门种类最多，其次是硅藻门和蓝藻门。两年共鉴定出优势种19种（蓝藻9种、绿藻2种、硅藻7种、隐藻1种），2013年优势度最高的为水华鱼腥藻（Anabaena flos-aquae）和梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana），2014年优势度最高的为湖泊鞘丝藻（Lyngbya limnetica）和水华鱼腥藻。两年浮游植物的年生物量和生物密度平均值分别为：15.54±2.31mg/L和5153.95±130.81×104cell/L，2013年平均值分别为6.62±1.93mg/L和203.51±75.72×104cell/L，2014年平均值分别为24.45±5.21mg/L和8244.39±1163.10×104cell/L。两年的生物量和生物密度垂直变化规律存在差异，2013年表现为随水深缓慢降低，2014年表现为0-8m水深呈现短暂上升，8m以后迅速下降。 2.千岛湖水温表现出明显的周期性，夏季温度最高，在8-9月份达到峰值，冬季温度最低，在2月份出现最低值。2013年溶解氧最高值出现在3月份，9月份溶氧量最低，2014年溶氧量较为稳定，未出现明显增高和降低现象。河口区S1站点由于常年水流速度快，水体中泥沙、固体有机质等悬浮物含量高，所以透明度明显低于其他各站点，且常年较低。2014年透明度在8月份出现最低值，且低于常年水平。TN（1.37±0.015）、TP（0.03±0.001）和CODMn（1.38±0.013）在S1站点含量明显高于其它各站点，且随水流方向有降低趋势，含量由高到低依次为S1>S3>S4>S8>S9。千岛湖浮游植物的生物量和生物密度月变化与透明度（R=-0.637，R=-0.646）、水温（R=0.592，R=0.607）和 CODMn（R=0.772，R=0.789）均表现出极显著相关性（P<0.01）。蓝藻门、绿藻门和硅藻门均与透明度、水温和 CODMn表现出相关性，此外硅藻门生物密度还与氨氮表现出相关性（R=0.459，P<0.05），绿藻门生物密度与总氮呈现相关性（R=0.471，P<0.05）。各站点的空间分布中，S3、S4、S8和S9站点生物量和生物密度均与透明度、水温和CODMn表现出相关性，S1站点则只与水温表现出相关性（R=0.482，P<0.05；R=0.516，P<0.05）。此外S4站点生物密度还与总氮呈现出显著正相关（R=0.492，P<0.01），S8站点的生物量和生物密度还与氨氮含量呈现相关性（R=0.455，P<0.05；R=0.566，P<0.01），S9站点生物量和生物密度还与NO3--N和NH3-N呈显著正相关（R=0.472，R=0.511；R=0.534，R=0.506），且生物密度还与TP呈显著正相关（R=0.424，P<0.05）。 3.分别对2010年5月-12月千岛湖浮游植物样品进行镜检和高通量测序。测序结果共鉴定出8门藻类，其中蓝藻门所占比例最大为62%；共鉴定出63种藻类，绿藻门最多为23种，蓝藻门16种，硅藻门10种；共鉴定出5种优势种，优势度最大的是聚球藻属（Cyanobium sp.）。镜检结果共鉴定出8门藻类，以蓝藻门（41%）、硅藻门（32%）和绿藻门（23%）为主；共鉴定出86种浮游藻类，绿藻门最多为40种，硅藻门21种，蓝藻门16种；共鉴定出8种优势种，优势度最大的是水华鱼腥藻。通过对比可知，两者鉴定结果显著的不同。认为高通量测序法具有省时稳定、不依赖样品完整性、可对无法分离培养的物种进行鉴定等优点，但同时存在无法对样品定量、无法对所有藻类精确定种，且有与镜检结果出入较大等问题。

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第一章 引 言

1.1淡水湖泊浮游植物研究现状

1.1.1浮游植物的概念及其在湖泊生态系统中的作用

1.1.2 浮游植物的季节性和空间性组成分布规律

1.1.3 千岛湖浮游植物的研究现状

1.2 浮游植物与环境因子之间的关系

1.2.1 环境因子对浮游植物的影响

1.2.2 生态系统中其他生物对浮游植物的影响

1.3 分子方法在浮游植物鉴定中的应用

1.4本研究的目的与意义

第二章 千岛湖浮游植物群落结构变化

2.1材料与方法

2.1.1千岛湖自然情况

2.1.2采样点设置

2.1.3浮游植物样品的采集与分析

2.1.4浮游植物数据处理

2.2结果

2.2.1千岛湖浮游植物的种类组成

2.2.2千岛湖浮游植物的生物密度

2.2.3千岛湖浮游植物的生物量

2.2.4千岛湖浮游植物优势种组成

2.2.5多样性分析

2.3 讨论

2.3.1 历史演替

2.3.2 浮游植物的空间分布

第三章 千岛湖环境因子的变化规律及其与浮游植物的关系

3.1 材料与方法

3.1.1采样点设置及采样方法

3.1.2 水质数据测定及数据处理

3.2结果

3.2.1环境因子及营养盐变化

3.2.3水质因子与浮游植物的时空变化关系

3.2.4水质因子与浮游植物的相关性分析

3.3讨论

3.3.1水质因子的变化规律

3.3.2 浮游植物与环境因子的关系

第四章 千岛湖浮游植物群落结构多样性及其鉴定方法的研究

4.1 材料与方法

4.1.1 样品采集

4.1.2 样品DNA提取、PCR扩增

4.1.3 高通量测序

4.1.4分析方法

4.2结果

4.2.1 测序多样性结果

4.2.2组成分析

4.2.3 各门类种属数

4.2.4门类组成空间差异的主成分分析

4.2.5门类组成的空间差异聚类分析

4.2.6 镜检及分子检测优势种对比

4.3讨论

结论

参考文献

附录

致谢