崇西湿地不同植物群落对甲烷厌氧氧化作用和功能菌群的影响

【摘要】：湿地是大气甲烷最大的自然源，而甲烷的氧化能有效地减少甲烷排放量，减缓因温室效应而带来的全球气候变暖。在湿地土壤中，CH4在厌氧生境中由产甲烷菌形成以后，在途经土壤和水层扩散时可被栖息于其间的甲烷厌氧氧化氧化为CO2，因此，甲烷的厌氧氧化作用是减少湿地CH4排放的主要途径之一。为深入了解湿地不同植被土壤的甲烷厌氧氧化作用（Anaerobic oxidation of methane，AOM）及甲烷厌氧氧化菌（Anaerobic MethanotrophicArchaea，ANME archaea）群落结构特征，本文以崇西湿地光滩、芦苇群落（Phragmites australis）和落羽杉群落（Taxodium distichum）为研究对象，结合野外调查与实验室培养的方法，应用分子生物学手段(包括定量PCR、变性梯度凝胶电泳技术和克隆文库分析技术)，较系统的研究了不同植物群落湿地土壤不同土层（0-10、10-20、20-30、30-40、40-50cm）的理化性质、甲烷厌氧氧化潜力、甲烷厌氧氧化菌群落丰度和结构多样性的影响，获得以下主要研究结果： 1）芦苇和落羽杉湿地上层土壤（0-20cm）的有机碳、总氮和微生物量碳含量高于下层土壤（30-50cm），芦苇和光滩湿地的SO2-4含量随土层增加而下降，落羽杉则呈相反趋势。同时，植被显著影响了土壤理化性质：芦苇和落羽杉湿地土壤的有机碳、总氮和微生物量碳含量均高于光滩湿地。虽然芦苇湿地的有机碳和总氮含量和落羽杉湿地没有显著差异，但是微生物量碳含量则显著高于后者。芦苇和光滩湿地的总铁均小于落羽杉湿地，芦苇和光滩湿地的SO2-4含量在0-30cm均高于落羽杉湿地，而在30-50cm均低于落羽杉湿地。以上实验结果表明：三种湿地土壤不同土层的理化性质存在显著差异。究其原因主要与植被类型、土壤厚度、土壤微生物等影响因素有关； 2）不同湿地土壤的甲烷厌氧氧化潜力随土壤厚度的增加变化显著：0-10cm土层，光滩、芦苇和落羽杉湿地土壤的甲烷厌氧氧化潜力的变化范围在12.0-24.0nM/g.d，变化趋势为光滩芦苇落羽杉；其余四个土层10-20cm、20-30cm、30-40cm和40-50cm的甲烷厌氧氧化潜力变化趋势均为落羽杉芦苇光滩，并且，落羽杉湿地土壤的甲烷厌氧氧化潜力变化范围为12.0-35.0nM/g.d，显著高于光滩和芦苇湿地(P0.05)。线性回归分析表明：植被类型、土层和总氮含量显著（P0.05）影响湿地土壤甲烷厌氧氧化潜力的变化，其中，总氮含量与甲烷厌氧氧化潜力呈负相关。 3）通过DGGE实验结果表明，芦苇和落羽杉湿地优势菌株多集中于20-50cm的深层土壤中，0-10cm的条带普遍较少，光滩湿地不同土层的优势菌株较少且差异不显著；聚类分析结果显示，三个湿地土壤的条带总体分为0-10cm和10-40cm和40-50cm这三类。香农指数多样性分析显示，光滩、芦苇和落羽杉湿地土壤不同土层的ANME古菌群落香农多样性指数均随土层深度的增加而增大，并且芦苇和落羽杉湿地在0-40cm土层的香农指数多样性均显著高于光滩湿地。 4）通过对16S rRNA基因克隆文库的分析表明：不同湿地土壤ANME微生物群落主要分为广古菌门（Euryarchaeota）和泉古菌门（Crenarchaeota）。光滩湿地40-50cm土层的ANME古菌群落单独分为一支。0-10cm的微生物种类较少，只属于热变形菌纲（Thermoprotei）。10-40cm微生物种类较多；芦苇湿地中，40-50cm土层的甲烷厌氧氧化菌种类均属于泉古菌门，10-20与20-30cm土层的种属则归属于广古菌门和泉古菌门两个古菌门；落羽杉湿地中，广古菌门种属仅出现在30-40cm，而泉古菌门种属在10-50cm土层中均有出现。三个湿地土壤20-40cm土层的香农多样性指数较高；虽然光滩湿地的ANME古菌群落多样性高于芦苇和落羽杉湿地，但其优势菌的数量要低于后者。因此，土壤深度和植被类型是决定湿地土壤ANME古菌分布的重要因素； 5）通过对ANME古菌16S rRNA基因的荧光定量PCR结果显示，16S rRNA基因拷贝数变化范围为9.1×104copies/ng-6.8×105copies/ng DNA之间。其中，光滩0-10cm土层的16S rRNA基因拷贝数最大，为4.44×105copies/ng DNA；10-20cm和20-30cm土层，芦苇的16S rRNA基因拷贝数最高，分别为8.83×105copies/ng DNA和7.98×105copies/ng DNA。30-40cm土层，芦苇和落羽杉湿地的16S rRNA基因拷贝数显著高于光滩，分别为4.67×105copies/ng DNA和4.80×105copies/ng DNA，且二者差异不显著。40-50cm土层，16S rRNA基因拷贝数变化趋势为芦苇落羽杉光滩。将同植物湿地土壤的16S rRNA基因拷贝数进行比较，变化趋势为：光滩0-10cm土层的16S rRNA基因拷贝数高于芦苇和落羽杉湿地，而10-50cm土层的16S rRNA基因拷贝数则显著低于后者。线性回归分析表明，土壤深度显著影响ANME古菌群落的丰度，总氮和微生物量碳含量与ANME古菌群落丰度呈负相关。 【关键词】：崇西湿地 芦苇 落羽杉 光滩 甲烷厌氧氧化 定量PCR DGGE 克隆文库
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X17
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-15
• 第一章 绪论15-29
• 1.1 前言15-16
• 1.2 湿地甲烷厌氧氧化作用的类型16-19
• 1.2.1 硫酸盐还原型16-18
• 1.2.2 硝酸盐还原型18-19
• 1.3 甲烷厌氧氧化作用的影响因素19
• 1.4 甲烷厌氧氧化作用的微生物机制19-26
• 1.4.1 甲烷厌氧氧化菌的培养19-20
• 1.4.2 甲烷厌氧氧化菌的分类20-24
• 1.4.3 甲烷厌氧氧化作用的分子生态机制24-26
• 1.5 研究区域概况26-27
• 1.6 研究内容及研究目标27-29
• 1.6.1 研究内容27-28
• 1.6.2 研究目的及意义28
• 1.6.3 技术路线28-29
• 第二章 不同植物群落对甲烷厌氧氧化潜力的影响29-47
• 2.1 样品采集地点29-30
• 2.2 研究方法30-34
• 2.2.1 土壤样本的采集和处理30
• 2.2.2 土壤基本理化性质测定30-33
• 2.2.3 甲烷厌氧氧化潜力测定33
• 2.2.4 甲烷气体样品的检测33-34
• 2.2.5 数据处理34
• 2.3 结果与分析34-43
• 2.3.1 不同植物群落湿地土壤的 TC，SOC，SIC 变化34-37
• 2.3.2 不同植物群落湿地土壤的微生物量碳的变化37-39
• 2.3.3 不同植物群落湿地土壤的总氮含量变化39
• 2.3.4 不同植物群落湿地土壤的总铁含量的变化39-40
• 2.3.5 不同植物群落湿地土壤的 SO2-4含量的变化40-41
• 2.3.6 不同植物群落湿地土壤甲烷厌氧氧化潜力的变化41-42
• 2.3.7 甲烷厌氧氧化潜力的线性回归分析42-43
• 2.4 讨论43-46
• 2.4.1 不同植物群落对土壤理化性质影响的分析43-45
• 2.4.2 不同植物群落对土壤甲烷厌氧氧化潜力的影响45-46
• 2.5 小结46-47
• 第三章 甲烷厌氧氧化微生物群落结构多样性47-67
• 3.1 材料与方法47-54
• 3.1.1 供试土壤47
• 3.1.2 实验仪器47
• 3.1.3 实验试剂47-48
• 3.1.4 PCR 扩增引物48
• 3.1.5 ANME 古菌 16S rRNA 基因 PCR 条件48-50
• 3.1.7 土壤总 DNA 提取50-51
• 3.1.8 变性梯度凝胶电泳（DGGE）51-52
• 3.1.9 不同植物群落土壤的 ANME 古菌 16S rRNA 基因构建克隆文库测序52-54
• 3.1.10 数据处理54
• 3.2 结果与分析54-63
• 3.2.1 光滩湿地 ANME 古菌 16S rRNA 的 DGGE 指纹图谱分析54-56
• 3.2.2 芦苇群落湿地 ANME 古菌 16S rRNA 的 DGGE 指纹图谱分析56-58
• 3.2.3 落羽杉群落湿地 ANME 古菌 16S rRNA 的 DGGE 指纹图谱分析58-59
• 3.2.4 不同植物群落湿地土壤 ANME 古菌群落多样性比较59
• 3.2.5 湿地土壤 ANME 古菌 16S rRNA 基因克隆文库分析59-61
• 3.2.6 湿地土壤 ANME 古菌 16S rRNA 基因文库的序列分析61-63
• 3.3 讨论63-65
• 3.3.1 不同植物群落湿地土壤 ANME 古菌群落多样性差异分析63-64
• 3.3.2 不同植物湿地土壤 ANME 古菌 16S rRNA 基因克隆文库序列分析64-65
• 3.4 小结65-67
• 第四章 甲烷厌氧氧化微生物群落丰度多样性67-74
• 4.1 材料与方法67-70
• 4.1.1 供试土壤67
• 4.1.2 研究方法67-70
• 4.1.3 数据处理70
• 4.2 结果与分析70-72
• 4.2.1 不同植物湿地土壤 ANME 古菌 16S rRNA 基因丰度多样性70-71
• 4.2.2 环境因子与 ANME 古菌 16S rRNA 基因群落丰度的相关性分析71-72
• 4.3 讨论不同植物群落对湿地土壤 ANME 古菌群落丰度的影响72
• 4.4 小结72-74
• 第五章 结论与展望74-76
• 5.1 结论74-75
• 5.2 展望75-76
• 参考文献76-85
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文85-86
• 致谢86

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