太湖富營養(yǎng)化水體和底泥中微生物群落的分子生態(tài)學研究.pdf

1、20世紀以來，富營養(yǎng)化問題已經(jīng)影響全球許多的淡水湖泊。而水體富營養(yǎng)化的顯著特征就是在春夏季節(jié)會出現(xiàn)大規(guī)模的藍細菌水華，其不僅嚴重破壞了水體中微生物的生態(tài)結(jié)構(gòu)，同時會產(chǎn)生大量毒素，給公共安全帶來重大的威脅。當前，我國湖泊的富營養(yǎng)化問題是非常突出的，但是對富營養(yǎng)化湖泊中微生物群落進行系統(tǒng)性的生態(tài)學特征研究卻非常有限。因此，了解富營養(yǎng)化水環(huán)境中微生物群落的變遷，尤其是對水華的“罪魁禍首”藍細菌的追蹤，顯得非常的必要，這將有助于人們?nèi)嬲J識藍細

2、菌水華暴發(fā)的過程以及富營養(yǎng)化對整個水生態(tài)系統(tǒng)的影響。
　　 本研究中，以典型的富營養(yǎng)化湖泊--太湖作為研究樣本，通過克隆文庫、DGGE指紋圖譜和熒光定量PCR等分子生物學手段相結(jié)合，對太湖水體和底泥中的微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度進行研究，尤其是對藍細菌群落變遷作了較為詳細和系統(tǒng)的闡述，旨在揭示太湖水體中重要微生物(如藍細菌)的群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量的動態(tài)變化規(guī)律，以及太湖長期的富營養(yǎng)化對底泥生態(tài)系統(tǒng)的影響，從而對太湖藍細菌水華暴發(fā)、發(fā)展的機理

3、有更全面的認識，為治理和控制太湖的富營養(yǎng)化問題提供理論依據(jù)。
　　 對太湖梅粱灣水域進行了為期一年的取樣研究，基于16S rRNA基因特異性片段，并結(jié)合DGGE指紋圖譜和熒光定量PCR技術(shù)對水體中藍細菌群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量的動態(tài)變化進行了研究。結(jié)果顯示：水體中藍細菌群落是隨季節(jié)變化而有所變遷的，其中夏季和冬季樣品中的藍細菌群落結(jié)構(gòu)構(gòu)成2個特征類群，而春季和秋季樣品中藍細菌的群落結(jié)構(gòu)有很大的相似性。Synechococcus(聚球藻)和

4、Microcystis(微囊藻)是夏季太湖水華暴發(fā)中占優(yōu)勢的藍細菌，它們的大量生長很可能抑制了水體中其他藍細菌的生長，從而導致了藍細菌群落在水華暴發(fā)期間多樣性的下降。在太湖水華暴發(fā)的過程中，Synechococcus和Microcystis顯示了不同的生長動力學特征。在太湖藍細菌水華暴發(fā)的初期，Syechococcus的生長速度大于Microcystis的生長速度；在水華暴發(fā)的后期，Microcystis的生長速度大于Synechoco

5、ccus的生長速度；而當水華暴發(fā)結(jié)束后，太湖水體中Microcystis的降解速度要慢于Synechococcus。
　　 基于mcyA-Cd基因片段，對太湖水體中產(chǎn)微囊藻毒素(MC)藍細菌的群落結(jié)構(gòu)和豐度進行了研究，研究表明：太湖梅粱灣水域中產(chǎn)MC的藍細菌幾乎都屬于Microcystis屬。全年中產(chǎn)MC藍細菌群落的多樣性是隨著水華的暴發(fā)而變化，水華暴發(fā)期中產(chǎn)MC藍細菌群落的多樣性高于非暴發(fā)期內(nèi)產(chǎn)MC藍細菌群落的多樣性；而在水華

6、暴發(fā)期間，暴發(fā)的前期(5月～6月)產(chǎn)MC藍細菌的多樣性要高于水華暴發(fā)后期(7月～10月)的產(chǎn)MC藍細菌的多樣性。同時，產(chǎn)MC藍細菌群落結(jié)構(gòu)的遷移滯后于水華暴發(fā)的程度。對太湖水體中產(chǎn)MC藍細菌的mcyA-Cd基因片段定量的結(jié)果顯示，太湖水體中產(chǎn)MC藍細菌的數(shù)量隨著水華的暴發(fā)急劇增加，在5月～10月水華暴發(fā)期，產(chǎn)MC藍細菌的數(shù)量是相當高的；而在冬季非水華暴發(fā)期，水體中沒有檢測到MC的含量，但是mcyA基因仍然能檢測到，顯示了MC的潛在威脅在

7、水華暴發(fā)期和非暴發(fā)期都是存在的。太湖水體中產(chǎn)MC藍細菌的數(shù)量和MC的濃度之間并沒有顯示出顯著相關(guān)，但產(chǎn)MC藍細菌數(shù)量峰值的出現(xiàn)滯后水體中MC含量峰值的出現(xiàn)。
　　 在對太湖不同深度的6個底泥樣品中沉積的藍細菌群落結(jié)構(gòu)和豐度進行了研究顯示，太湖底泥中Microcystis和Synechococcus在整個藍細菌的群落中呈現(xiàn)了很高的多樣性，它們的數(shù)量是隨著深度增加而減少。太湖底泥中Microcystis和Synechococcus的

8、分布特征顯示，隨著太湖水體的富營養(yǎng)化程度從中營養(yǎng)向超富營養(yǎng)轉(zhuǎn)變，Synechococcus也如同Microcystis一樣也開始成為太湖水華中占優(yōu)勢的藍細菌，并在水華暴發(fā)時有趨勢超越Microcystis的數(shù)量。
　　 通過綜合運用克隆文庫、DGGE和實時熒光定量PCR等分子手段，結(jié)合16S rRNA基因同源性分析，對太湖不同深度的底泥中細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)和豐度的分布特征作了系統(tǒng)性研究，結(jié)果顯示，太湖底泥中營養(yǎng)物質(zhì)負荷的升高對細

9、菌群落結(jié)構(gòu)的影響較小，其不同深度的底泥樣品之間細菌群落的結(jié)構(gòu)相對還是比較相似的，其中δ-變形菌綱和Nitrospira(硝化螺菌)在底泥樣品中呈現(xiàn)了很高的多樣性。同時結(jié)果顯示，底泥中細菌的數(shù)量隨著底泥深度的增加也略有增加。太湖底泥樣品中古菌群落主要由廣古菌門和泉古菌門組成，其中產(chǎn)甲烷菌是一類重要的古菌群落，它們在底泥樣品中顯示了很高的多樣性。古菌在不同深度的底泥樣品中群落結(jié)構(gòu)的變化比較大，但其數(shù)量水平并沒有顯示受到富營養(yǎng)化的顯著影響，不