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上海水源水中微生物群落结构的分子生态学研究

2020-12-11阅读(764)

上海水源水中微生物群落结构的分子生态学研究

论文摘要

随着上海市经济的迅速发展,人口飞速增长,对水资源的需求日益增加。淀山湖作为上海的饮用水源保护地之一,近年来蓝藻水华频发,富营养化程度不断加剧,水环境安全受到严重威胁。青草沙水源地的开发为上海提供了优质的新水源,但其也存在潜在藻类暴发的风险。因此如何保证饮用水源的水质安全和防治富营养化,成为上海供水安全的当务之急。本研究以上海两大水源地,淀山湖和青草沙水库水体为研究对象,通过定期采样分析水体的水质和微生物指标,并结合PCR-DGGE、荧光定量PCR技术,分析水中微生物群落结构的时空变化规律,研究探讨微生物群落变化与相关水质及环境因子变化的相互关系,为水源水体富营养化的修复和蓝藻预防控制提供理论依据。本课题对淀山湖的主要研究结果如下：（1）研究期间,淀山湖水体营养盐指标总氮（TN）和总磷（TP）浓度处于地表水环境质量标准的Ⅳ～Ⅴ类水平；TN和TP浓度在空间点位的差异性较显著,呈现湖心北区（P5,P7）>湖西取水口（P9）>湖心（P10）>湖北偏西区（P8）>湖心南区（P11）>湖心东区（P1,P2）的北高南低,西高东低的现象。总氮（TN）与氨氮（NH3-N）呈显著正相关。（2）对水体蓝藻全细胞原位PCR的检测表明,全细胞双重PCR的可检测区间在105～102cell/mL之间,引物对蓝藻特异性条带的检测下限达到100cell/mL,可用于水体蓝藻的快速检测。对淀山湖的检测结果表明,淀山湖春季蓝藻检出率为46%,夏季为100%,秋冬季节减少到23%。（3）淀山湖水体蓝藻群落的季节性动态变化,呈现春夏季种类数量明显高于秋冬季,即夏季>春季>冬季>秋季的特点；空间分布上,不同水域的种类数量呈现湖西取水口>湖心北区>湖心南区>湖心东区的特点。多样性指数夏季7月最高,秋季10月最低,水华暴发的8-9月期间,由于个别优势种的大量生长抑制了种群内部其他种类的生长,多样性指数不升反降。（4）蓝藻群落结构的变性梯度胶凝胶电泳（DGGE）图谱分析结果表明,50%的优势条带与微囊藻属的种类如铜绿微囊藻,水华微囊藻等具有较高的同源性,在监测的大部分月份里和点位中均有出现,表明微囊藻是淀山湖蓝藻群落的主要优势种。蓝藻群落结构的聚类结果显示,淀山湖水域水体中的蓝藻群落大体上分为西南和东北两部分,这两部分水域内部蓝藻群落各自均有较高的相似度,但外部之间的相似性较低。蓝藻群落结构的变化受季节温度的影响较大,各季度内具有较高相似性,不同季节则相似性较低。（5）典型对应分析CCA结果显示,淀山湖水体蓝藻群落的组成,有些蓝藻与温度（T）,正磷酸盐（MPO4）和总磷（TP）关系较大,其他一些则与pH和溶解氧（DO）有关；正磷酸盐（MPO4）和总磷（TP）以及水温,与夏季的蓝藻群落结构组成有关,而秋冬季样品则与总氮（TN）,溶解氧DO和pH有关。本课题对青草沙的主要研究结果如下：（1）本研究期间,青草沙水库库内水体中的总氮（TN）浓度平均为0.12-0.38mg/L,总磷（TP）浓度平均为0.011～0.097mg/L之间变化,库内各点位间的变化幅度较小。季节性的变化显著,秋季11月的水质好于其他月份。库内水体TN和TP浓度较库外取水口明显降低,提高了一个水质标准,表明青草沙水库库内水体具有一定的自净能力。但是由于大部分点位的TN/TP比值<29,具有蓝藻优先生长的营养盐条件,且磷为主要营养盐限制因子。（2）异养细菌计数结果显示出,总体上水中微生物数量随季节的变化,基本呈现夏季>冬季>秋季的趋势；库外取水口及库首附近的点位比库中央和库尾的点位具有更高的微生物数量；泥沙沉降对于水体中微生物数量的具有显著影响。（3）微生物群落结构的DGGE图谱显示,细菌种群丰度和多样性指数,呈现夏季>春季>冬季>秋季的趋势；在春夏季节,库内外微生物的种类变化不明显,而在秋冬季节,库外取水口的细菌种类数量明显低于库内点位。优势种主要与α-变形菌纲（α-Proteobacteria）、β-变形菌纲（β-Proteobacteria）、拟杆菌属（Bacteroidetes）、黄杆菌属（Flavobacterium）、海默氏菌（Rheinheimera）、蓝藻纲的原绿球藻属（Prochlorococcus）和聚球藻属（Synechococcus）等具有较高的相似性。聚类分析结果显示,季节变化对库区水体微生物群落结构组成的相似度有较大影响；库外取水口与库内其他点位的微生物群落也存在较大差异。蓝藻群落结构与细菌群落呈现相同的变化趋势。（4）微生物功能基因的荧光定量PCR （qRT-PCR）结果显示,库外水体中的细菌含量明显高于库内水体,随季节变化的波动较小,蓝藻则相反,表明长江来水进入库内后,水体中的细菌数量减少,而蓝藻数量得到增长。库内蓝藻的数量随季节变化的波动十分显著,从夏季、秋季到冬季呈明显下降趋势。微囊藻种群的定量结果与蓝藻的时间和空间变化趋势一致。蓝藻占总细菌含量的相对丰度变化是夏季高,秋冬季回落。（5）青草沙库内水体微生物的定量结果与环境因子TN、TP的相关性分析表明,库内水体中细菌含量的变化与TP浓度的变化呈显著正相关；库外水体微生物含量的变化与TN、TP无显著相关性；蓝藻和微囊藻的含量呈现极显著正相关,但两者与TN、TP浓度的变化无明显相关性。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 水体富营养化问题的概述
  • 1.2 水环境微生物检测技术简介
  • 1.2.1 蓝藻的分子生物学研究进展
  • 1.2.2 变性梯度凝胶电泳（DGGE）
  • 1.2.3 实时荧光定量PCR（Real-time quantitative PCR）
  • 1.3 上海水源水体的现状
  • 1.3.1 淀山湖概况
  • 1.3.2 青草沙水源地概况
  • 1.4 研究目的意义和内容
  • 1.4.1 本课题研究的目的意义
  • 1.4.2 本课题的研究内容和技术路线
  • 第二章 淀山湖水体水质变化分析
  • 2.1 材料与方法
  • 2.1.1 样点布设
  • 2.1.2 采样时间
  • 2.1.3 样品理化性质测定
  • 2.2 结果与讨论
  • 2.2.1 水体理化因子的时间变化
  • 2.2.2 水体理化因子的空间变化
  • 2.2.3 水体TN和TP变化分析
  • 2.2.4 环境因子变化的相关性分析
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 淀山湖水体蓝藻群落结构变化分析
  • 3.1 材料与方法
  • 3.1.1 样品采集和预处理
  • 3.1.2 蓝藻基因组DNA的提取
  • 3.1.3 蓝藻全细胞PCR扩增
  • 3.1.4 蓝藻16S rRNA基因片段PCR扩增
  • 3.1.5 变性剃度凝胶电泳（DGGE）条件
  • 3.1.6 主要实验仪器和设备
  • 3.2 测序与数据分析
  • 3.2.1 DGGE凝胶图谱分析
  • 3.2.2 系统发育分析
  • 3.2.3 统计相关性分析
  • 3.3 结果与分析
  • 3.3.1 蓝藻全细胞PCR扩增检测分析
  • 3.3.2 蓝藻16S rRNA基因片段DGGE分析
  • 3.3.3 蓝藻群落结构的聚类分析
  • 3.3.4 蓝藻群落与环境因子的典型对应分析（CCA）
  • 3.4 讨论
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 青草沙水库水体水质变化分析
  • 4.1 材料与方法
  • 4.1.1 样点布设和采样时间
  • 4.1.2 水质指标的测定
  • 4.2 结果与讨论
  • 4.2.1 水库水体TN的变化分析
  • 4.2.2 水库水体TP的变化分析
  • 4.2.3 水库水体TN/TP分析
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 青草沙水库水体微生物群落结构变化分析
  • 5.1 材料与方法
  • 5.1.1 样品采集和预处理
  • 5.1.2 微生物培养计数方法
  • 5.1.3 微生物基因组DNA的提取
  • 5.1.4 细菌16S rRNA基因片段PCR扩增
  • 5.1.5 蓝藻16S rRNA基因片段PCR扩增
  • 5.1.6 变性梯度凝胶电泳（DGGE）条件
  • 5.2 数据与测序分析
  • 5.3 结果与分析
  • 5.3.1 微生物计数分析
  • 5.3.2 微生物群落结构分子生态学分析
  • 5.3.2.1 细菌16S rRNA基因片段DGGE分析
  • 5.3.2.2 蓝藻16S rRNA基因片段DGGE分析
  • 5.4 讨论
  • 5.4.1 异养细菌的培养计数
  • 5.4.2 细菌种群丰度和多样性
  • 5.4.3 蓝藻群落结构的分析
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 青草沙水库水体微生物荧光定量PCR分析
  • 6.1 材料与方法
  • 6.1.1 荧光定量PCR引物和方法
  • 6.1.2 操作步骤
  • 6.1.2.1 标准品的制备
  • 6.1.2.2 质粒制备
  • 6.1.2.3 PCR绝对定量实验
  • 6.2 结果与讨论
  • 6.2.1 微生物群落定量PCR的标准曲线
  • 6.2.2 微生物群落定量PCR结果分析
  • 6.2.3 微生物功能基因的相对丰度分析
  • 6.2.4 微生物定量结果与环境因子相关性分析
  • 6.3 本章小结
  • 第七章 全文总结
  • 7.1 结论
  • 7.1.1 淀山湖主要结论
  • 7.1.2 青草沙水库主要结论
  • 7.2 建议
  • 参考文献
  • 附录
  • 附录1
  • 附录2
  • 致谢

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