發(fā)布時間：2020-11-20 16:30

　　 海水入侵作為全球問題,是濱海地區(qū)主要環(huán)境災(zāi)害之一。其判別指標(biāo)和監(jiān)測方法的確定,直接關(guān)系到是否發(fā)生海水入侵以及對入侵程度的評價。本工作以龍口市為主要研究區(qū),大沽河為輔助研究區(qū),通過野外監(jiān)測和定期取樣,利用高通量測序方式探究了研究區(qū)咸淡水過渡區(qū)中地下水微生物群落多樣性、結(jié)構(gòu)、相互作用關(guān)系和功能特性在時間(季節(jié))與空間(緯度)上的特征,同時結(jié)合物化指標(biāo)與室內(nèi)培養(yǎng)實驗,證明微生物分析是一種可用于研究海水入侵的方法。在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上得到的主要結(jié)論如下:1)龍口市研究區(qū)咸淡水過渡區(qū)中地下水的Cl~-和TDS由海岸向內(nèi)陸方向呈下降趨勢,咸淡水界面位置在監(jiān)測點(diǎn)DZ2與DZ3之間。灌溉水中微生物群落的多樣性最高,海水最低。地下水微生物群落受多種環(huán)境因子影響,DO是影響其多樣性與結(jié)構(gòu)分布的重要因素。海洋螺菌目(Oceanospirillales)和交替單胞菌科(Alteromonadaceae)可作為海水入侵的微生物指標(biāo)。2)季節(jié)性變化對龍口市研究區(qū)咸淡水過渡區(qū)中地下水微生物群落造成影響。食酸菌屬(Acidovorax)和噬氫菌屬(Hydrogenophaga)分別是枯、豐水期的優(yōu)勢物種,且變化與NO_3~-有關(guān)。TOC是影響枯水期地下水微生物群落多樣性和結(jié)構(gòu)的主要因素,而NO_3~-在豐水期響應(yīng)顯著。DO和地下水位在兩個季節(jié)對微生物群落都有較大的影響。海水入侵的增強(qiáng)降低了微生物網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,豐枯水期微生物間的相互作用差異明顯,枯水期的連接更為緊密。3)不同海岸帶咸淡水過渡區(qū)中地下水微生物群落差異明顯。大沽河研究區(qū)受海水入侵影響嚴(yán)重,龍口市研究區(qū)存在明顯的陽離子交換作用。龍口市研究區(qū)的反硝化細(xì)菌高于大沽河研究區(qū),而后者具有硫酸根離子還原能力的細(xì)菌高于前者。兩個研究區(qū)微生物功能特性差異顯著,龍口市研究區(qū)微生物代謝功能高于大沽河研究區(qū)。4)在模擬實驗中,微生物群落多樣性在海水含量為2.5%和75%環(huán)境下表現(xiàn)為最高和最低。咸淡水驅(qū)替作用的增強(qiáng)對群落多樣性有促進(jìn)作用。黃桿菌科(Flavobacteriaceae)和紅桿菌科(Rhodobacteraceae)與海水含量呈顯著正相關(guān),證明其可作為海水入侵的新指標(biāo)。強(qiáng)驅(qū)替作用對微生物群落功能特性有較大影響,所處環(huán)境中海水含量越低,其影響越大,而弱驅(qū)替作用對其影響較小。本研究對于以微生物作為新式海水入侵指標(biāo)有著重要的科學(xué)意義,為深入理解沿海含水層生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能提供科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位單位】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：Q938
【部分圖文】：

為了更直觀顯示出七組實驗樣品微生物在屬類水平上的差異與趨勢,以熱圖的形式表示豐度值,如圖6-3。其中假單胞菌屬(Pseudomonas),食酸菌屬(Acidovorax),假黃單胞菌屬(Pseudoxanthomonas),鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas),枝動桿菌屬(Mycoplana),微小桿菌屬(Exiguobacterium),苯基桿菌屬(Phenylobacterium)和鞘脂菌屬(Sphingobium)存在于全尺度SC(%)范圍(0~100%)內(nèi);噬氫菌屬(Hydrogenophaga)僅存在于SC(%)范圍為0~10%內(nèi);鼠孢菌屬(Sporomusa)僅存在于淡水環(huán)境中;沉積物桿狀菌屬(Sediminibacterium)和溶桿菌屬(Lysobacter)存在于SC(%)低于25%的環(huán)境內(nèi);Maricaulis屬,鼠尾菌屬(Muricauda)和Winogradskyella菌屬存在于SC(%)高于25%的環(huán)境內(nèi);Diaphorobacter菌屬,固氮根瘤菌屬(Azorhizobium)和不粘柄菌屬(Asticcacaulis)存在于SC(%)低于50%的環(huán)境內(nèi);弧菌屬(Vibrio),Nautella菌屬和Balneola菌屬存在于SC(%)高于50%的環(huán)境內(nèi)。

在功能分類1水平上,發(fā)現(xiàn)的主要功能基因簇有七大類,包括:細(xì)胞轉(zhuǎn)化(Cellular Processes),環(huán)境信息處理(Environmental Information Processing),遺傳信息處理(Genetic Information Processing),人類疾病(Human Diseases),新陳代謝(Metabolism),有機(jī)系統(tǒng)(Organismal Systems),未分類(Unclassified)。在功能基因分類2水平上,占據(jù)較大的比重的功能基因簇有:膜轉(zhuǎn)運(yùn)(Membrane Transport),氨基酸代謝作用(Amino Acid Metabolism),碳水化合物代謝作用(Carbohydrate Metabolism),復(fù)制和修復(fù)(Replication and Repair),能量代謝作用(Energy Metabolism),細(xì)胞運(yùn)動(Cell Motility)等(圖6-6)。通過實驗數(shù)據(jù)與野外實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn),兩者在功能分類2水平上的主要功能基因簇基本相同,這也側(cè)向證明了室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)的可靠性。對微生物群落功能基因分類水平2上的41種基因簇與SC(%)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析,結(jié)果顯示在表6-6中。在微生物群落功能方面,與SC(%)呈現(xiàn)顯著相關(guān)(p<0.01)的基因簇有兩個,分別是癌癥(Cancers)和信號傳導(dǎo)(Signal Transduction),前者是正相關(guān),后者為負(fù)相關(guān);有六種基因簇與SC(%)呈現(xiàn)正相關(guān)(p<0.05),包括氨基酸代謝(Amino Acid Metabolism)、心血管疾病(Cardiovascular Diseases)、細(xì)胞通訊(Cell Communication)、輔酶因子與維生素代謝作用(Metabolism of Cofactors and Vitamins)、神經(jīng)系統(tǒng)(Nervous System)和神經(jīng)退行性疾病(Neurodegenerative Diseases);兩種基因簇與SC(%)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(p<0.05),分別是細(xì)胞運(yùn)動(Cell Motility)和細(xì)胞過程與信號作用(Cellular Processes and Signaling)。

結(jié)合16S rDNA測序數(shù)據(jù),利用PICRUSt對實驗二樣品微生物的功能進(jìn)行預(yù)測,并比較各組功能特性差異。在功能分類1水平上,同樣發(fā)現(xiàn)的主要功能基因簇有七大類,與實驗一結(jié)果一致。在功能分類2水平上,占據(jù)較大的比重的功能基因簇有:膜轉(zhuǎn)運(yùn)(Membrane Transport),氨基酸代謝作用(Amino Acid Metabolism),碳水化合物代謝作用(Carbohydrate Metabolism),能量代謝作用(Energy Metabolism),復(fù)制和修復(fù)(Replication and Repair)等(圖6-10)。強(qiáng)驅(qū)替組和弱驅(qū)替組與控制組之間的微生物群落功能基因差異如圖6-11所示。根據(jù)結(jié)果可以得出弱咸淡水驅(qū)替作用對微生物群落功能特性的影響不大,P4與P5兩組實驗樣品都顯示相同的結(jié)果,而強(qiáng)咸淡水驅(qū)替作用對其功能特性有一定影響。在P4實驗組中,強(qiáng)驅(qū)替作用顯著改變了微生物功能分布特性,使得P4.3與P4.1和P4.2存在差異;在P5實驗組中,強(qiáng)驅(qū)替作用對微生物功能分布特性的改變不顯著,使得P5.3與P5.1和P5.2差異不明顯;且P4.3的功能分布特性與P5.3類似,說明強(qiáng)驅(qū)替作用對微生物群落功能特性有影響,SC(%)含量越低,其影響越大。換句話說,環(huán)境微生物受到擾動越強(qiáng)烈,其功能特性變化越顯著。
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本文編號：2891691