| 题名 | 水位降低对若尔盖泥炭地土壤中原核微生物和亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌垂直分布的影响研究 |
| 作者 | 钟秋萍 |
| 答辩日期 | 2017-05 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 陈槐 |
| 关键词 | 泥炭地 深度 水位 原核微生物 甲烷厌氧氧化菌 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 原核微生物是有机物的主要分解者和土壤元素循环的重要参与者，在土壤生态系统的碳循环、氮循环等土壤生物地球化学循环中具有重要的作用。甲烷（CH4）是一种重要的温室气体，它引起的温室效应是等摩尔二氧化碳的20倍，对全球变暖的“贡献率”达到20%，而亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化（Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, N-DAMO）可以有效的减少自然环境中甲烷的排放，减缓因温室效应带来的全球气候变暖，同时连接了碳循环和氮循环这两大生物地球化学循环。在气候变暖、降雨减少、挖沟排水等全球变化的背景下，若尔盖泥炭地的水位正不断下降，因此，研究水位降低对原核微生物和亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌（N-DAMO菌）的影响，将有助于了解全球变化背景下泥炭地中的生物地球化学循环，并对甲烷的减排具有重要的意义。本研究利用分子生物学方法研究了水位降低对原核微生物和亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌垂直分布的影响，主要得到以下三个方面的结果：（1）原核微生物和亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌的垂直分布 利用16S rRNA的高通量测序方法，研究了若尔盖泥炭地土壤中原核微生物群落沿深度（0-10 cm、20-30 cm、50-60 cm、和90-100 cm）的垂直分布情况。发现泥炭地中原核微生物群落由细菌和古菌共同构成，其中细菌占83.86%，古菌占15.67%，主要的原核微生物类群有：变形菌门（Proteobacteria，27.63%）、拟杆菌门（Bacteroidetes，14.58%）、泉古菌门（Crenarchaeota，12.42%）、绿弯菌门（Chloroflexi，12.31%）、酸杆菌门（Acidobacteria，6.35%）、放线菌门（Actinobacteria，2.59%）等，其他相对丰度较高的微生物门还有Planctomycetes、OP9、Euryarchaeota、Nitrospirae、Chlorobi、NC10、OP8等。结果显示，深度对原核微生物的多样性指数（Observed species、Shannon diversity和Chao1 richness）没有显著的影响，而对总体群落结构有显著的影响（PERMANOVA 检验, P < 0.001），随着土壤深度的增加，细菌的比例逐渐下降，而古菌的比例相应增加。从表层到深层，变形菌门、拟杆菌门、酸杆菌门和放线菌门等好氧菌的相对丰度逐渐下降，而泉古菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、NC10门等厌氧菌的相对丰度逐渐增加。 利用N-DAMO菌特异的16S rRNA引物，通过构建克隆文库的方法，研究了若尔盖泥炭地N-DAMO菌沿深度（0-10 cm、20-30 cm、50-60 cm、和90-100 cm）的垂直分布情况。系统发育树分析显示，获得的N-DAMO菌都属于NC10门细菌中的Group B，与代表菌Candidatus Methylomirabilis oxyfera（M. oxyfera）的16S rRNA序列的相似性在88.70%-93.67%之间。根据97%的阈值进行OTU的聚类，获得的N-DAMO菌总共可以分为14个操作分类单元（operational taxonomic units，OTU），并且发现表层的OTU数、Shannon多样性指数和Chao1丰富度指数等多样性指数比深层的高。N-DAMO菌主要OTU为OTU14和OTU20，与这两个OTU亲缘关系最近的序列来自于三峡水库的沉积物中获得的克隆ZXH30-45（KP708969）。随着深度的增加，OTU14和OTU20的相对比例降低，而其他OTU的相对比例增加。（2）水位降低对原核微生物群落垂直分布的影响 将起始的水位（0.32 cm）分别降低为-4.04 cm和-10.37 cm，利用高通量测序方法，来研究泥炭地中水位降低对原核微生物群落的影响。结果显示，水位降低减少了原核微生物的多样性指数（observed species、Shannon diversity和 chao1 richness），但是在不同的深度，减少的幅度不同，在20-30 cm和50-60 cm的土层中减少幅度较大，而在0-10 cm和90-100 cm中减少幅度较小。水位降低显著影响了总体的原核微生物群落（PERMANOVA检验，P<0.001），水位降低减少了Bacteroidetes、Crenarchaeota、Euryarchaeota等微生物门的相对丰度，同时增加了Acidobacteria、Nitrospirae、NC10等的相对丰度。其中，相对丰度减少最明显的是拟杆菌门（Bacteroidetes），相对丰度在四个深度都显著减少了（P<0.05），而相对丰度增加比较明显的酸杆菌门（Acidobacteria），说明水位降低减少了富营养型微生物的含量（如拟杆菌门）而增加了寡营养型微生物的含量（如酸杆菌门）。本研究发现，在若尔盖泥炭地中影响原核微生物群落结构的主要环境因子为pH、总有机碳含量（TOC）和总氮含量（TN）。（3）水位降低对亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌垂直分布的影响 将起始的水位（0.32 cm）分别降低为-4.04 cm和-10.37 cm，发现水位降低增加了N-DAMO菌的相对丰度，并且N-DAMO菌主要分布在50-60 cm，其次为20-30 cm和90-100 cm，而在表层0-10 cm分布很少。结果显示，本研究获得的N-DAMO菌的包括32个OTU，高于大部分已有的报道，并且多样性指数（OTU数、Shannon多样性指数和Chao1丰富度指数）在水位为-4.04 cm的样地最高。在若尔盖泥炭地中N-DAMO菌的主要类群为包括NC10门细菌的Group A（30.96%）和Group B（69.04%），与代表菌M. oxyfera的16S rRNA序列的相似性为85.59-96.95%（<97%），说明本研究中获得的N-DAMO菌可能是与M. oxyfera属于同一个属的不同种。水位降低显著的改变了N-DAMO菌的群落结构（PERMANOVA检验，P<0.001），群落按不同水位聚成三簇：在水位为0.32 cm时，全部是NC10门的Group B（100%）；当水位降低为-4.04 cm时，包括Group A（7.73%）和B（92.27%），但主要的为Group B；当水位降低为-10.37 cm时，也包括Group A（88.97%）和B（11.03%），但主要的为Group A，说明水位降低增加了Group A的含量，并且Group A 主要存在于50-60 cm和20-30 cm的土壤深度。结果显示，水位降低明显改变了N-DAMO菌的主要OTU，在起始水位时，主要的OTU为OTU14（35.81%）和OTU20（33.76%）；当水位降低为-4.04 cm时，主要的OTU为OTU7（33.11%）和OTU8（32.67%），与代表菌M. oxyfera的16S rRNA序列的相似性都为92.39%，与这两个OTU亲缘关系最近的序列来自于日本琵琶湖（Lake Biwa）的沉积物中获得的克隆R8（AB661499）；当水位降低为-10.37 cm时，主要的OTU为OTU6（34.10%）和OTU5（32.56%），与代表菌M. oxyfera的16S rRNA序列的相似性分别为96.52%和96.74%，与这两个OTU亲缘关系最近的序列来自于三峡水库的沉积物中获得的克隆WJG40-42（KP708890）。在本研究中，影响N-DAMO菌群落的环境因子主要为pH和硝态氮含量。 综合上述，本研究发现，水位降低显著影响了总体的原核微生物群落，减少了原核微生物的多样性，减少了富营养型微生物的含量（如拟杆菌门）而增加了寡营养型微生物的含量（如酸杆菌门），而影响微生物原核微生物群落结构的主要环境因子为pH、总有机碳和总氮。本研究还发现，水位降低将若尔盖泥炭地中N-DAMO菌的主要类群由Group B变成了Group A，并且Group A 主要存在于50-60 cm和20-30 cm的土壤深度，而影响N-DAMO菌群落的环境因子主要为pH和硝态氮含量。因此，本研究揭示了水位降低对原核微生物和亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌的影响，加深了我们对全球变化背景下泥炭地中碳循环和氮循环的认识，并为减少甲烷等温室气体的排放提供了一定的理论依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 生态研究 |
| 产权排序 | 1 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.75.237.14/handle/351003/28753]  |
| 专题 | 成都生物研究所_生态研究 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 钟秋萍. 水位降低对若尔盖泥炭地土壤中原核微生物和亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌垂直分布的影响研究[D]. 中国科学院大学. 2017. |
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