（生态学专业论文）太湖附着细菌与浮游细菌的群落结构及多样性研究.pdf

中文摘要 目录 蝴m y 1 8 9 嘈。- ：| | ；答卷i i l a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 研究背景l 1 2 研究进展2 1 2 1 附着细菌与浮游细菌的丰度、群落结构及多样性研究2 1 2 2 附着细菌与浮游细菌的时间异质性研究。3 1 2 3 附着细菌与浮游细菌的空间异质性研究3 1 2 4 影响附着细菌与浮游细菌的主要环境因子。4 1 3 研究内容及创新处5 1 3 1 研究内容5 1 3 2 技术路线。7 1 3 3 研究的创新之处及特色7 第二章太湖不同季节和湖区附着与浮游细菌的丰度研究8 2 1 材料与方法。8 2 1 1 采样点的设置8 2 1 2 样品的采集9 2 1 3 水体理化测定10 2 1 4 细菌计数l0 2 2 数据处理lo 2 - 3 结果与分析1 0 2 3 1 各湖区水化指标状况1 0 2 3 2 附着细菌丰度的时空差异1 2 2 3 3 浮游细菌丰度的时空差异1 3 2 3 4 不同湖区附着和浮游细菌丰度与环境因子的相关分析1 4 2 3 5 不同季节附着和浮游细菌丰度与环境因子的相关分析1 6 2 2 l 讨论19 2 4 1 太湖附着细菌与浮游细菌的丰度1 9 i 2 4 2 太湖附着细菌与浮游细菌丰度时空变化的主导因子1 9 第三章太湖不同季节和湖区附着与浮游细菌的群落结构研究2 1 3 1 材料与方法。2 2 3 1 1 采样点的设置。2 2 3 1 2 样品的采集2 2 3 1 3 水体理化测定2 2 3 1 4 细菌d n a 的提取和p c r 扩增2 2 3 1 5 样品的t - r f l p 分析2 3 3 1 6 数据处理2 4 3 2 结果与分析2 5 3 2 1 各湖区水化指标状况2 5 3 2 2 附着细菌的群落结构比较2 5 3 2 3 附着细菌的多样性比较2 7 3 2 4 附着细菌群落结构与环境因子的相关分析2 8 3 2 5 浮游细菌的群落结构比较3 5 3 2 6 浮游细菌的多样性比较3 7 3 2 7 浮游细菌群落结构与环境因子的相关分析3 8 3 2 8 附着细菌与浮游细菌的比较4 4 3 3 讨论4 5 3 3 1 太湖附着细菌与浮游细菌群落结构及多样性的时空差异。4 5 3 3 2 太湖附着细菌与浮游细菌群落演替的主导因子4 6 第四章水动力对附着细菌与浮游细菌群落结构影响的模拟研究 4 8 4 1 材料与方法4 8 4 1 1 实验设计4 8 4 1 2 样品的采集及处理4 9 4 1 3 样品分析4 9 4 1 4 数据处理4 9 4 2 结果与分析。4 9 4 2 1 短期扰动中水体理化指标状况4 9 4 2 2 短期扰动中附着细菌与浮游细菌丰度的变化5 2 4 2 3 短期扰动中附着细菌与浮游细菌多样性的变化5 3 4 2 4 短期扰动中附着和浮游细菌丰度与水体理化指标的相关性5 4 4 2 5 短期扰动中附着和浮游细菌群落结构与水体理化指标的相关分析5 5 4 3 讨论。5 8 4 - 3 1 水动力对水体理化因子的影响。5 8 4 3 2 水动力对附着与浮游细菌丰度、群落结构及多样性的影响5 8 第五章结论与展望 5 。l 结论5 9 5 2 展望6 0 参考文献 m 6 1 摘要 为了了解大型浅水富营养化湖泊一太湖水体中附着细菌与浮游细菌的丰度、群落结构、 多样性的时空变化，本文通过野外调查采样和室内实验模拟相结合的方法对其进行研究，选 取了梅梁湾、湖心区、河口区、东太湖共四个不同生态类型湖区，分别在冬、春、夏、秋四 个季节进行样品采集，同时室内模拟短期水动力扰动，运用表面荧光计数法、d n a 提取、 p c r 扩增、t - r f l p 分子生物学技术及多元统计分析的方法，研究了太湖附着细菌和浮游细 菌丰度与群落结构的时空异质性，及其与环境因子之间的相互关系，结果如下： ( 1 ) 太湖水体总细菌平均值为6 5 3 x 1 0 6 c e l l s m l ，附着细菌平均值为4 2 5 x 1 0 6 c e l l s m l ，浮游细 菌平均值为2 2 8 x1 0 6 c e l l s m l 。细菌丰度有着显著的时空异质性，附着细菌与浮游细菌数量都 是梅梁湾和河口区多，湖心区和东太湖少；春夏多，秋冬少。相关分析表明，不同湖区不同 季节影响附着细菌与浮游细菌丰度的主导因子不同，影响湖区间差异的因子有水温、t n 、 d t n 、t u r b 、c h la ；影响季节间差异的因子有t p 、p 0 4 3 _ p 、n i - 1 4 + - n 。 ( 2 ) 附着细菌群落结构湖区差异不显著，季节差异极显著：多样性是梅梁湾低，湖心区高， 夏季高，冬季低。浮游细菌群落结构湖区间和季节间都有显著差异，多样性是湖心区高，东 太湖最低，夏季高，秋季低。c c a 分析表明，主导附着细菌与浮游细菌群落结构的环境因 子不同，总体而言，影响太湖附着细菌群落演替的主要因子是水温、d t n 、o r p 、d o 、p h 、 t s s 、t u r b ；影响太湖浮游细菌群落演替的主要因子是n h 4 + - n 、n 0 3 - n 、p h 、p 0 4 3 - p 、d t n 、 t s s 。 ( 3 ) 附着细菌与浮游细菌数量随着扰动的进行而增多。大风扰动后达到最大值。短期扰动过 程中附着细菌多样性差异并不明显，浮游细菌多样性指数与扰动前相比差异显著。浮游细菌 多样性变化较附着细菌明显，说明附着细菌与浮游细菌对扰动的反应有所不同。 关键词：附着细菌，浮游细菌，t - r f l p ，c c a ，扰动 a b s t r a c t i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt os t u d yt h ea b u n d a n c e , c o m m u n i t yc o m p o s i t i o na n dd i v e r s i t yo f a t t a c h e da n df r e e - l i v i n gb a c t e r i ai nt h el a r g es h a l l o we u t r o p h i cl a k e 一a k e 砜a n d s p a t i a l - t e m p o r a lv a r i a t i o n so fe c o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h i st h e s i ss t u d yt h ev a r i a t i o n st h r o u g h f i e l ds a m p l i n ga n dl a b o r a t o r yi n v e s t i g a t i o n ii n v e s t i g a t e dm e i l i a n gb a y , c e n t e rl a k e ，r i v e rm o u t h , e a s tt a i h ul a k e , s a m p l i n gi nw i n t e r , s p r i n g , s u m m e ra n da u t u m ne s p e c t i v e l y m e a n w h i l e , s h o r t - t e r md i s t u r b a n c ew a ss i m u l a t e di nl a b o r a t o r y u s i n gs u r f a c ef l u o r e s c e n c ec o u n t i n gm e t h o d , d n ae x t r a c t i o n , p c ra m p l i f i c a t i o n , t - r f l pa n do t h e rm o l e c u l a rb i o l o g yt e c h n i q u e sa n d m u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o dt os t u d yt h ea b u n d a n c e ，c o m m u n i t yc o m p o s i t i o na n d d i v e r s i t ya n ds p a t i a l - t e m p o r a lv a r i a t i o n so fa t t a c h e da n df r e e - l i v i n gb a c t e r i ai nl a k et a i h u , a n d i t sr e l a t i o n s h i pw i t ht h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r s 1 1 坞m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) n ea v e r a g ea b u n d a n c eo ft o t a lb a g t e r i ai s6 5 3 1 0 6 c e l l s m l , t h ea v e r a g ea b u n d a n c eo f a t t a c h e db a c t e r i ai s4 2 5 10 。c e l l s m l ，t h ea v e r a g ea b u n d a n c eo ff r e e - l i v i n gb a c t 耐ai s2 2 8 10 6 c e l l s m 1 a b u n d a n c eo fb a c 州ai nt a i h ul a k eh a sas i g n i f i c a n ts p a t i a la n dt e m p o r a l h e t e r o g e n e i t y t h en u m b e ro fa t t a c h e da n df r e e - l i v i n gb a c t e r i ai nt h ee s t u a r ya n dm e i l i a n gb a ya 佗 h i g h e rt h a nc e n t e rl a k ea n de a s tl a k e ； s p r i n ga n ds u m m e ra r eh i g h e rt h a na u t u m na n dw i n t e r c a n o n i c a lc o r r e s p o n d e n c ea n a l y s i s ( c c a ) d e m o n s t r a t e dt h a td i f f e r e n ts i t e sa n ds e a s o n sh a s d i f f e r e n td o m i n a n tf a c t o r s t e r n p e r a t u 豫, t n , d t n ，t u r b , c h l 口a r et h em a i nf a c t o r se x p l a i n e d i n t r a - l a k ed i f f e r e n c e s ；t p ，p 0 4 甲，n h 4 + - nw e r es i g n i f i c a n t l yr e l a t e dt ot h es p a f i o - t e m p o r a l d y n a m i c so fa t t a c h e da n df r e e - l i v i n gb a c t e r i a , ( 2 ) t h e r ei sas i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo fa t t a c h e db a c t e ：r i ab e t w e e ns e 舔。嬲，d i v e r s i t yi sl o w e s ti n m e i l i a n gb a y ，h i g h e s ti nl a k ec e n t e r , h i g h e s ti ns u m m e ra n dl o w e s ti nw i n t e r a n a l y s i sr e v e a l e d s i g n i f i c a n tt e m p o r a ls h j f t si nf l e e - l i v i n gb a c t e r i a , a n ds i g n i f i c a n ti n t r a - l a k eh e t e r o g e n e i t y d i v e r s i t yo ff r e e - l i v i n gb 战谢ai sh i g h e s ti nl a k ec e n t e r , l o w e s ti ne a s tl a k e ，h i 曲e s ti ns u m m e r , t h e ni nw i n t e ra n ds p r i l l g c c aa n a l y s i ss h o w e dt h a tw a t e rt c r n p e m t u r e , d t n ，o r p , d o , p h ，t s s ， t u r bi st h em a i nf a c t o ra f f e c tt h ec o m m u n i t yo fa t t a c h e db a c t e r i a ；n i - 1 4 + - n ，n 0 3 - n ，p h ，p 0 4 3 - p ， d t n ，t s si st h em a i nf a c t o ra f f e c tt h ec o m m u n i t yo ff r e e , - l i v i n gb a c t e r i a ( 3 ) s h o r t - t e r md i s t u r b a n c e si n c r e a s e dt h ea b u n d a n c ea n dc o m m u n i t yd i v e r s i t yo fa t t a c h e da n d f r e e - l i v i n gb a c t e r i a , c h a n g e si nt h ea b u n d a n c eo fa t t a c h e db a c t e r i ai so b v i o u st h a nc h a n g e si n f r e e l i v i n gb a c t e r i a ，v a r i t i e si nf r e e - l i v i n gb a c = t e t j ai so b v i o u st h a nv a r i t i e si na t t a c h e db a c t e r i a , i n d i c a t i n gt h a tt h er e s p o n s eo fa t t a c h e db a 硎a a n df r e e - l i v i n gb a 删at od i s t u r b a n c ei sd i f f e r e n l k e yw o r d s ：a t t a c h e db a c t e r i a ，f r e e - l i v i n gb a c t e r i a ，t - r f l p ，c c a ，d i s t u r b e n c e 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 附着细菌( a t t a c h e d a s s o c i a t e db a c t e r i a ) 是指水体中附着在水生植物、浮游植物 及其它颗粒物上，营专性或兼性附着生活的细菌类群。 浮游细菌( b a c t e r i o p l a n k t o n ) 是指水体中营浮游生活的原核生物类群，主要包括 自养和异养细菌及古细菌，自养细菌能通过自身光合作用或化学合成获取能量，包括 蓝细菌、原绿球藻、聚球蓝细菌，表现为生产者；异样细菌只能通过消耗有机物获得 能量，表现为消费者，总体上异养细菌的数量要远大于自养细菌，绝大多数的浮游细 菌个体大小只有0 2 2 微米。 水生生态系统中，微生物群落在分解有机物质和转换营养成分方面发挥着举足轻重的作 用，附着细菌和浮游细菌在整个淡水生态系统中的物质和能量循环中扮演着重要角色，它们 在物质能量循环中既是分解者又是生产者，一方面，细菌分解有机物释放能量，营异养生长， 这时细菌表现为分解者；另一方面，它能利用真核藻类所无法吸收的可溶性有机物( d o m ) ， 将之转化为颗粒有机物( p o m ) ，由原生动物特别是2 0 0 p m 以下的小型和微型的浮游动物 捕食后再传递到后生动物构成微食物环【1 】，此时细菌又表现为生产者。另外，不论是附着细 菌还是浮游细菌，其自身的增殖也为水体的原生动物、浮游动物、底栖动物等提供直接的营 养源，在食物链中发挥着重要作用。异养浮游细菌是微型异养浮游动物( 主要是个体较小的 原生动物，以鞭毛虫类为主) 的重要食物源，而微型异养浮游动物又被个体较大的原生动物， 主要是纤毛虫类所利用，而纤毛虫又是桡足类等中型浮游动物的重要食物源，从而使摄食营 养关系进入到后生动物食物网【2 】。即使在水华期，在微型浮游动物( m i c r o z o o p l a n k t o n ) 的摄食 中仍有1 5 是异养浮游细斟3 1 。 进入水体初级生产力的有机物质主要靠细菌，尤其是异养细菌来利用转化，通常异养细 菌的次级生产力相当于初级生产力的2 0 - - 4 0 ，生物量占水体中总颗粒有机碳的1 4 一 6 2 h o 细菌在利用溶解有机碳( d o c ) 的同时又提供了上层营养级可利用的颗粒有机碳 ( p o c ) ，这一过程被称之为微生物二次生产( b a c t e r i a ls e c o n d a r yp r o d u c t i o n ) 【5 】。上世纪8 0 年 代美国科学家f u h r m a n 用【甲基j h 】胸腺嘧啶核苷示踪法估计了海洋浮游细菌的生产力，发 现实验水域中的细菌生产力平均8 4 - - 5 4 p gc l d ，相当于初级生产力的2 0 ，认为细菌生 产力是海洋食物网的重要组成成分1 5 】。细菌在生物要素循环中也起着不可替代的作用，细菌 能固定大气中的碳，使其经过微食物网进入传统食物链，从而参与生物泵过程，促进碳元素 循环的进行。w e i s s e 等1 6 j 对德国c o n s t a n c e 湖春季浮游植物暴发时碳通量的研究就发现大约 南京信息工程大学硕士学位论文 有2 6 3 的浮游植物碳通量流入细菌。其次，浮游植物分泌物也有大部分被异养浮游细菌利 用，另外还能分解利用颗粒有机物，如分解动植物的尸体、捧泄物，以及利用沉入水底的有 机质，使一些有机态的c 、n 转化为无机态的c 、n ，使其返回到再循环中川。可见细菌在 整个水生生态系统生物地球化学循环中具有极其重要的作用。 1 2 研究进展 1 2 1 附着细菌与浮游细菌的丰度、群落结构及多样性研究 c r u m p 等i s 对比了哥伦比亚河口( c o l u m b i ar i v e re s t u a r y ) 附着细菌与浮游细菌丰度的 差异，发现附着细菌的平均丰度为1 0 2 i l 0 0 1 0 6 ( m e a n4 - s d ) c e l l s n i l ，浮游细菌的丰度更稳 定，为1 2 5 士- 0 4 x 1 0 6 c c l l s m l ，附着细菌占总细菌的平均比值超过5 3 ，远大于c h u k c h i 海 中的研究结果( 平均值为1 5 o ) 【9 1 ，但是小于易北河的7 5 的比值1 0 】。与哥伦比亚河i = 1 相 比，附着细菌与浮游细菌的丰度在太湖中要高出一个数量级，太湖中附着细菌及浮游细菌的 丰度平均值分别为1 5 5 x 1 0 6 e e l l s m l 和1 4 o x l 0 6 c c l l s m l ，附着细菌占总细菌的比值为 2 8 7 8 0 4 。而且太湖有机聚集体上附着细菌比浮游细菌的变化幅度要小，时空差异也很显 著，夏秋季高，冬季最低：河口区最高，东太湖最低【l 。 淡水生态系统中主要的细菌类群有：弘和p 变形菌门，拟杆菌门( b a c t c r i o d e t c s ) ，放 线菌f ( a c t i n o b a g t c r i a ) 和疣微菌门( v e r r u i i l i d b i a ) 等【1 2 l 。争p r o t c o b a c t e r i a 往往是淡水生态 系统中主要的细菌群落，a - p r o t c o b a e t e r i a 、y - p r o t e o b a c t c r i a 更多地在海洋细菌群落中占据主 导地位 1 3 , 1 4 l ，a c t i n o b a c t c r i a 普遍存在于有着动态变化的水动力和湖泊特征的淡水及河口水域 【嘲。水体中附着细菌和浮游细菌的群落结构有很大的差异，g r o s s a r t 等n 6 1 研究了海洋硅藻附 着细菌及浮游细菌群落结构的差异，结果表明这两个群落结构差异显著，附着细菌主要以黄 杆鞘脂杆菌属( f l a v o b a c t e r i a - s p h i n g o b a c t e r i a ) 中的拟杆菌( b a c t e r o i d e t e s ) 为主，而浮游 细菌以玫瑰杆菌属( r o s c o b a c t c r ) 中的n 变形菌( a - p r o t c o b a c t c r i a ) 为主。湖泊有机聚集体 ( o a ) 上附着细菌以b - p r o t c o b a c t c r i a ( 争变形菌纲，3 4 4 ) 、a - p r o t e o b a c t c r i a ( a 变形菌 纲，1 5 2 ) 、b a c t c r o i d c t c s ( 拟杆菌门，1 1 2 ) 、以及p l a n c t o m y c c t c s ( 浮霉菌门，1 0 3 ) 为主【l l 】。选取寡核苷酸探针，用原位荧光杂交技术( f i s h ) 分析德国w e s e r 河口的附着细 菌群落组成，结果表明水体中噬孢黄杆菌属所占比例最大，a 、b 和丫变形杆菌( a - 、争a n d 7 - p r o t e o b a e t e r i a ) 比例约占到1 0 ，细菌的群落组成隶属于变性菌门、噬孢黄杆菌和放线菌 门【1 7 】。 刘晓波掣1 8 】通过构建环境样品1 6 sr r n a 基因克隆文库，分析了位于青藏高原的高山湖 泊纳木错湖水中细菌的群落结构特征，结果表明1 5 - p r o t e o b a e t e r i a 类细菌是纳木错湖水细菌 2 第一章绪论 的主要类群，占总数的6 1 。纳木错湖细菌以耐寒和嗜寒细菌为主，且多样性低。杨字等人 f 1 9 】采用扩增r d n a 限制性酶切片段分析( a r d r a ) 了3 个洞庭湖采样点的表层水样，得到 1 3 5 个可操作分类单元( o t u s ) ，系统发育分析显示洞庭湖岳阳段水样中微生物群落具有 丰富的多样性，且不同的水环境中细菌群落结构和优势菌也不同。 吴鑫等对太湖水体中的细菌群落的研究结果表明，太湖大多数细菌属于淡水生态系统中 常见的洳、肛、p 和8 - p r o t e o b a c t e r i a ，b a c t e r o i d e t e s ，a c t i n o b a c t e r i a 菌门。优势细菌类群为 拟杆菌( c y t o p h a g a - f l a v o b a c t e r i u m - b a c t e r o i d a e s ，4 4 3 ) ，b 和1 ，变形杆菌( 孓p r o t e o b a c t e r i a ， 2 5 3 和y - p r o t e o b a c t e r i a ，2 7 8 ) ，其中大部分细菌与黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) 、假单胞菌 属( p s e u d o m o n a s ) 和食酸菌属( a c i d o v o r a x ) 细菌的关系密切。冬季水体中以y - p r o t e o b a c t z r i a 类 群为浮游细菌的优势类群，这与国外的富营养化研究报道不同，可能是严重富营养化的太湖 在冬季所具有的独特群落结构特征 z o o 1 1 。 1 2 2 附着细菌与浮游细菌的时间异质性研究 湖泊生态系统中，不仅浮游细菌和附着细菌的丰度、生物量呈现季节变化特征，而且群 落的基因多样性也随时间的变化呈现出一定的规律性【1 1 捌，夏秋季高，冬春季低。太湖有机 聚集体上附着细菌群落结构有明显的季节性演替，冬季与春季差异最小，夏季与秋季差异最 大，并且群落随时间有快速的演替，只有少数细菌物种能在长时间尺度上占据优势地位【l l 】。 浮游细菌的丰度、基因多样性及种群的均匀度在夏季和秋季均较高，在冬季和春季则较低瞄】。 冯胜等对太湖北部湖区进行为期一年的监测，研究了太湖北部湖区水体中浮游细菌数量的动 态变化，结果显示浮游细菌数量存在明显的季节变化和空间差异，夏秋季浮游细菌数量比冬 春季高，最高值出现在夏季的7 月份，平均值为7 4 3 x 1 0 6c e l l s m l ，最低值出现在3 月份， 平均值为3 1 4 x 1 0 6c e l l s m l ，最低值与最高值差异达7 3 t 2 4 1 。除此之外，浮游细菌的丰度、 d g g e 条带数、种群的s h a n n o n - w i e n e r 指数、s i m p s o n 指数和p i e l o u 指数均呈现显著的季节 变化规律，夏季及秋季浮游细菌的丰度、基因多样性及种群的均匀度较高，而冬季和春季则 较低，说明浮游细菌种群组成随时间变化田】。 1 2 3 附着细菌与浮游细菌的空间异质性研究 运用d a p i 染色，z e i s s 表面荧光显微镜计数法，l u c i a 显微镜图像分析系统直接测定 细菌体积，根据公式：c c = 2 1 8 v o 舶将细菌体积换算成生物量，结果表明，太湖不同位点 的细菌的数量分布极不均匀，且差异显著。梁溪河口的细菌数量的年均值为1 5 4 1 0 6 c e l l s m l ( 变化范围4 3 3 4 8 x 1 0 6 c , e l l s m 1 ) ，分别比梅梁湾湖区的年均值9 9 9 x 1 0 6 c e l l s m l ( 变化范围 3 6 - 1 5 4 x 1 0 6 c e u s 枷) 和湖心区的年均值7 8 3 1 0 6 c e l l s m l ( 变化范围2 7 1 6 5 x 1 0 6 c 急l l s m 1 ) 高 3 南京信息工程大学硕士学位论文 5 4 3 和9 6 8 嘲。太湖北部湖区浮游细菌数量也呈现出明显的空间差异，污染严重的河口 区浮游细菌数量明显高于湖心区，最高值也出现在河口区，平均值为5 5 1 1 0 6 c c l l s m l ，比湖 心区最低值高8 3 2 洲。 v a nd e rg u c h t 对四种不同浅水湖泊的研究比较表明每个湖泊都有各自显著的浮游细菌 群落，其浑水湖泊代表性的菌类是蓝细菌( c y a n o b a c t a r i a ) ，清水态湖泊代表性的菌类是拟 杆菌( b a c t e r o i d e t e s ) l 曲j 。 1 2 4 影响附着细菌与浮游细菌的主要环境因子 1 2 4 1 氮磷对附着细菌和浮游细菌的影响 研究表明，在寡营养湖泊中，无机营养物质含量可能是微生物生长的限制因子伫7 l ，尤其 是磷含量的高低常常成为水体中细菌数量的限制因素口8 2 9 ，3 0 l ，在一定条件下，氮含量的多少 也可能影响到微生物数量的变化p 1 1 。在极度贫营养条件下，水体中微生物种类相对较少，随 着营养水平的逐渐升高，微生物由于营养物质等生存条件的改变，多样性会增加。冯胜对太 湖的研究与之类似，从超富营养的五里湖到沉水植物丰富的贡湖湾，细菌数量呈现随水体营 养水平降低而下降的趋势，群落多样性呈现上升的趋势【3 2 】。比较分析富营养化的半对流的 s o a p 湖不同梯度营养区的细菌结构组成表明，低营养浓度下的优势菌群为a - p r o t e o b a c t e r i a ， 随着营养浓度的升高，a - p r o t e o b a c t e r i a 菌群数量明显降低而b a c t 凹o i d e t e s 和p l a n c t o m y c a t e s 显著增加【3 3 】。v i e i r a 等对不同富营养化程度的入海1 2 1 水体细菌分析表明，b a c t e r o i d e t e s 和 f i r m i c u t e s 细菌数量也随营养盐浓度升高而增加1 3 4 j 。 除了营养盐浓度，营养盐组分对细菌丰度和群落结构也有影响，对于浮游细菌，n p 的 一个阈值为4 0 5 0 ，小于这个比值，细菌吸收氮，大于这个比值，细菌释放氮圈。 1 2 4 2 温度对附着细菌和浮游细菌的影响 中国台湾科学家s h i a hf u h k w o 冈在美国的切萨皮克湾研究发现，除了夏季，温度是调 节该海湾海洋浮游细菌生长生产的主要因素。德国w c s c r 河口的附着细菌与浮游细菌也随温 度的变化而变化。 冯胜等对太湖北部湖区水体中的浮游细菌数量的监测也表明浮游细菌数量与水体中营 养盐无关，预示着太湖水体中的营养盐已处于较高水平，不再是浮游细菌生长的限制因素， 而与温度显著相关，低温抑制细菌的新陈代谢，高温则促进细菌的新陈代谢，加快细菌的生 长繁殖速率p 4 。 1 2 4 3 浮游植物对附着细菌和浮游细菌的影响 浮游植物的繁殖能导致浮游细菌数量的增加，原因是浮游植物大量繁殖时，其光合作用 产生的大量可溶性有机物包括烃类、有机酸等为细菌提供了丰富的营养物质p 7 】。已有的研究 4 第一章绪论 表明，藻类最多可以将2 5 的光合作用中固定的有机物释放到周围环境中郾】，而且不同 藻类可以分泌性质不同的有机物，因此藻类群落结构的变化可能导致利用这些有机物作为主 要碳源的细菌种类的变化t 3 9 。r o o n e y - v a r g a 等蚓比较了水体中的附着细菌和浮游细菌，结 果发现浮游藻类群落结构的变化对附着细菌的影响更大。 1 2 4 4 浊度对附着细菌和浮游细菌的影响 前人的研究表明海岸生态系统中底泥悬浮是控制底泥微生物群落活性的一个重要因素 1 4 0 , 4 1 1 ，微生物群落组成对扰动的响应各不相同，底泥扰动造成微生物群落的组成和活动受到 生物和非生物因子的影响 4 2 j ，底泥悬浮过程中酶分解有机物增加水体中的无机物进而会引起 细菌次级生产力速率的增加 4 3 】。n a t a s c h a 等人发现，德国w e s e r 河i ：i 的附着细菌与浮游细菌 随温度、浊度以及7 月1 2 月最大浊度的最高百分比的变化而变化【1 7 1 。 1 2 4 5 其它环境因子对附着细菌和浮游细菌的影响 海洋浮游细菌的生长繁殖受原生动物和细菌噬菌体的抑制，细菌噬菌体能消耗1 2 0 , - 2 5 的细菌生产力1 4 4 。在赤道太平洋水域，d o m 是调节细菌生产力变化的主要因子h 5 1 。在富营 养湖泊中，影响细菌的环境因子有所不同，吴根福m 】通过添加不同营养盐类的纯种和自然培 养试验，对杭州西湖异养细菌生长的限制因子进行了研究，结果表明生物可利用的有机碳是 主要的限制性营养因子，而氮源和磷源的影响较小，湖水的高p h 以及丰富的藻类和浮游动 物生物量也制约了异养细菌的生长。j i a n g 对中国西北部的c h a k a 湖的研究则表明盐碱度是 控制微生物数量的重要因素 4 7 1 。 水生态系统中浮游动物的捕食可能导致细菌群落结构的变化，其中纤毛虫类的捕食就与 细菌群落的变化显著相关咿】。j o r g e m 等人从一个小池塘取水样后除去枝角类浮游动物，发 现开始时细菌群落中由属于争变形菌纲( 争p r o t e o b a e t e r i a ) ，噬纤维菌属( c r y t o p h y t a ) 及黄杆 菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) 的小型球菌和杆菌占优势，此后，随着异养微型鞭毛虫的大量出现， 这些小型细菌被大量捕食而数量逐渐减少，a 亚纲变形菌的数量持续增加，a 亚纲的变形菌 主要由3 - 6 1 a m 长的杆状菌组成，开始只占不到细菌总量的l ，但除去枝角类的7 2 h 后，它 们成为了优势菌群【4 9 】。另外，温带湖泊的水生植物被证明会释放溶解性的有机物质促进细菌 生长刚。 1 3 研究内容及创新处 1 3 1 研究内容 太湖是一个典型浅水富营养化湖泊，由于其特殊的地理位置和气候条件，使得整个太湖 形成了数个不同生态特征的湖区，且各湖区在不同的季节表现也不一样，这就造成了太湖不 5 南京信息工程大学硕士学位论文 同生态特征湖区间存在着极大的时空异质性。此外，频繁的水力扰动是大型浅水湖泊的一个 重要特征，而有关水动力扰动对湖泊微生物数量及群落结构的影响目前知之甚少。因此，研 究类似太湖这样的浅水富营养化湖泊中的附着细菌和浮游细菌对阐明湖泊微生物的结构和 功能是非常有必要的。本文以大型浅水富营养化湖泊太湖为研究对象，通过周年的监测 以及水动力扰动室内模拟实验，研究了太湖各生态特征湖区水体中以及不同强度的水动力扰 动下，附着细菌和浮游细菌的数量、群落结构的变化及其与环境因子之间的相互关系。具体 研究内容如下： ( 1 ) 太湖不同季节和湖区附着细菌与浮游细菌丰度、群落结构的比较 采用表面荧光显微镜计数法、c t a b 法提取细菌d n a ，p c r 扩增和t - r f l p 技术，研 究了太湖不同季节、不同生态特征湖区水体中附着细菌与浮游细菌的丰度、群落结构的变化， 以及这种变化与环境因子之间的关系。探讨了太湖水体中附着细菌与浮游细菌的时空异质 性。 ( 2 ) 太湖附着细菌与浮游细菌丰度、群落结构变化的主导因子 运用c a n o c o4 5f o rw i n d o w s 软件，采用排序的方法分析环境因子与附着与浮游细菌 丰度、群落组成变化的相关性。先独立分析不同湖区环境因子与附着、浮游细菌数量和群落 结构的关系，再结合所有湖区数据一起分析的策略，以阐明太湖不同湖区附着细菌与浮游细 菌丰度、群落演替的主要因子。 ( 3 ) 模拟水动力扰动对附着细菌与浮游细菌丰度、群落结构的影响 通过室内模拟水动力扰动，运用表面荧光技术和t r f l p 技术，研究了水体中附着细菌 与浮游细菌的丰度、群落结构在不同强度的水动力扰动下的变化，以及与水体理化因子之间 的关系。初步探讨了浅水湖泊水动力作用对水体附着细菌与浮游细菌的影响。 6 第一章绪论 1 3 2 技术路线 1 3 3 研究的创新之处及特色 本文运用分子生物学方法，选取太湖具有代表性的特征湖区，分别在冬、春、夏、秋不 同季节进行采样，首次比较研究了大型浅水富营养化湖泊太湖中不同生态特征湖区在不 同季节下附着细菌与浮游细菌的丰度、群落结构的变化，同时对模拟水动力扰动下水体附着 细菌与浮游细菌的变化进行了比较研究，阐明了大型浅水湖泊中附着细菌与浮游细菌的时空 异质性，对深入探讨附着细菌与浮游细菌在大型浅水湖泊的生物地球化学循环过程中的生态 学作用具有十分重要的意义，并为富营养化湖泊的治理提供理论依据。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章太湖不同季节和湖区附着与浮游细菌的丰度研究 太湖是我国著名的五大淡水湖之一，位于我国经济发展较快的长江三角洲南缘，地处北 纬3 0 0 5 5 ，4 0 ，_ - 31 0 3 2 5 8 ”东经l1 9 。5 2 3 2 l 1 2 0 。3 6 l o ”，太湖南北长6 8 5 k m ，东西平均宽3 4 k i n ， 最宽处5 6 k i n ，平均水深约为1 9 m ，最大水深2 6 m ，面积约2 3 3 8 k m 2 ，是一个典型的大型浅 水湖泊p 1 翔j 。太湖在城市的供水、养殖、灌溉、航运中起着非常重要的作用，自8 0 年代以 来，随着三角洲地区经济和工业的发展，捧入湖泊的废水大量增加，水体氮磷含量大幅度升 高，导致水质恶化和水生态系统严重退化 5 3 , 5 4 3 。近几十年来，太湖由于污染而逐步呈现富营 养化特征，从2 0 0 0 年以来，太湖富营养化状况呈加重趋势1 5 5 。梅梁湾位于太湖的北部，湾 内外的换水周期较长，营养物质丰富，大面积微囊藻水华的现象频发；河口区与河道相连， 受外源污染影响较大；湖心区位于太湖中心部位，受外源影响较小，湖心附近营养盐浓度较 低，但是由于湖面开阔，扰动频繁，水体上下混合作用显著；东太湖是太湖主要的泄洪通道， 因此泥沙淤积严重，而且水生植物生长旺盛，呈现出明显的沼泽化趋势聆2 , 5 6 - 5 9 ，这四个湖 区有着各自的特征，从太湖北部到太湖东南部，大致涵盖了整个太湖，可以用来代表太湖的 整体情况，本文就选取这四个湖区，以水体附着细菌和浮游细菌为研究对象，进行了一整年 的调查监测，明确了太湖不同湖区不同季节附着细菌与浮游细菌丰度的变化，以及对附着细 菌与浮游细菌数量变化具有显著影响的环境因子。 2 1 材料与方法 2 1 1 采样点的设置 本研究选取了太湖中四个具有不同生态特征的湖区：梅梁湾、湖心区、河口区、东太湖， 分别代表蓝藻水华频繁暴发的富营养化藻型区、受外源影响较小但水动力扰动