崇西濕地不同植物群落對甲烷厭氧氧化作用和功能菌群的影響

【摘要】：濕地是大氣甲烷最大的自然源，而甲烷的氧化能有效地減少甲烷排放量，減緩因溫室效應而帶來的全球氣候變暖。在濕地土壤中，CH4在厭氧生境中由產(chǎn)甲烷菌形成以后，在途經(jīng)土壤和水層擴散時可被棲息于其間的甲烷厭氧氧化氧化為CO2，因此，甲烷的厭氧氧化作用是減少濕地CH4排放的主要途徑之一。為深入了解濕地不同植被土壤的甲烷厭氧氧化作用（Anaerobic oxidation of methane，AOM）及甲烷厭氧氧化菌（Anaerobic MethanotrophicArchaea，ANME archaea）群落結構特征，本文以崇西濕地光灘、蘆葦群落（Phragmites australis）和落羽杉群落（Taxodium distichum）為研究對象，結合野外調查與實驗室培養(yǎng)的方法，應用分子生物學手段(包括定量PCR、變性梯度凝膠電泳技術和克隆文庫分析技術)，較系統(tǒng)的研究了不同植物群落濕地土壤不同土層（0-10、10-20、20-30、30-40、40-50cm）的理化性質、甲烷厭氧氧化潛力、甲烷厭氧氧化菌群落豐度和結構多樣性的影響，獲得以下主要研究結果： 1）蘆葦和落羽杉濕地上層土壤（0-20cm）的有機碳、總氮和微生物量碳含量高于下層土壤（30-50cm），蘆葦和光灘濕地的SO2-4含量隨土層增加而下降，落羽杉則呈相反趨勢。同時，植被顯著影響了土壤理化性質：蘆葦和落羽杉濕地土壤的有機碳、總氮和微生物量碳含量均高于光灘濕地。雖然蘆葦濕地的有機碳和總氮含量和落羽杉濕地沒有顯著差異，但是微生物量碳含量則顯著高于后者。蘆葦和光灘濕地的總鐵均小于落羽杉濕地，蘆葦和光灘濕地的SO2-4含量在0-30cm均高于落羽杉濕地，而在30-50cm均低于落羽杉濕地。以上實驗結果表明：三種濕地土壤不同土層的理化性質存在顯著差異。究其原因主要與植被類型、土壤厚度、土壤微生物等影響因素有關； 2）不同濕地土壤的甲烷厭氧氧化潛力隨土壤厚度的增加變化顯著：0-10cm土層，光灘、蘆葦和落羽杉濕地土壤的甲烷厭氧氧化潛力的變化范圍在12.0-24.0nM/g.d，變化趨勢為光灘蘆葦落羽杉；其余四個土層10-20cm、20-30cm、30-40cm和40-50cm的甲烷厭氧氧化潛力變化趨勢均為落羽杉蘆葦光灘，并且，落羽杉濕地土壤的甲烷厭氧氧化潛力變化范圍為12.0-35.0nM/g.d，顯著高于光灘和蘆葦濕地(P0.05)。線性回歸分析表明：植被類型、土層和總氮含量顯著（P0.05）影響濕地土壤甲烷厭氧氧化潛力的變化，其中，總氮含量與甲烷厭氧氧化潛力呈負相關。 3）通過DGGE實驗結果表明，蘆葦和落羽杉濕地優(yōu)勢菌株多集中于20-50cm的深層土壤中，0-10cm的條帶普遍較少，光灘濕地不同土層的優(yōu)勢菌株較少且差異不顯著；聚類分析結果顯示，三個濕地土壤的條帶總體分為0-10cm和10-40cm和40-50cm這三類。香農(nóng)指數(shù)多樣性分析顯示，光灘、蘆葦和落羽杉濕地土壤不同土層的ANME古菌群落香農(nóng)多樣性指數(shù)均隨土層深度的增加而增大，并且蘆葦和落羽杉濕地在0-40cm土層的香農(nóng)指數(shù)多樣性均顯著高于光灘濕地。 4）通過對16S rRNA基因克隆文庫的分析表明：不同濕地土壤ANME微生物群落主要分為廣古菌門（Euryarchaeota）和泉古菌門（Crenarchaeota）。光灘濕地40-50cm土層的ANME古菌群落單獨分為一支。0-10cm的微生物種類較少，只屬于熱變形菌綱（Thermoprotei）。10-40cm微生物種類較多；蘆葦濕地中，40-50cm土層的甲烷厭氧氧化菌種類均屬于泉古菌門，10-20與20-30cm土層的種屬則歸屬于廣古菌門和泉古菌門兩個古菌門；落羽杉濕地中，廣古菌門種屬僅出現(xiàn)在30-40cm，而泉古菌門種屬在10-50cm土層中均有出現(xiàn)。三個濕地土壤20-40cm土層的香農(nóng)多樣性指數(shù)較高；雖然光灘濕地的ANME古菌群落多樣性高于蘆葦和落羽杉濕地，但其優(yōu)勢菌的數(shù)量要低于后者。因此，土壤深度和植被類型是決定濕地土壤ANME古菌分布的重要因素； 5）通過對ANME古菌16S rRNA基因的熒光定量PCR結果顯示，16S rRNA基因拷貝數(shù)變化范圍為9.1×104copies/ng-6.8×105copies/ng DNA之間。其中，光灘0-10cm土層的16S rRNA基因拷貝數(shù)最大，為4.44×105copies/ng DNA；10-20cm和20-30cm土層，蘆葦?shù)?6S rRNA基因拷貝數(shù)最高，分別為8.83×105copies/ng DNA和7.98×105copies/ng DNA。30-40cm土層，蘆葦和落羽杉濕地的16S rRNA基因拷貝數(shù)顯著高于光灘，分別為4.67×105copies/ng DNA和4.80×105copies/ng DNA，且二者差異不顯著。40-50cm土層，16S rRNA基因拷貝數(shù)變化趨勢為蘆葦落羽杉光灘。將同植物濕地土壤的16S rRNA基因拷貝數(shù)進行比較，變化趨勢為：光灘0-10cm土層的16S rRNA基因拷貝數(shù)高于蘆葦和落羽杉濕地，而10-50cm土層的16S rRNA基因拷貝數(shù)則顯著低于后者。線性回歸分析表明，土壤深度顯著影響ANME古菌群落的豐度，總氮和微生物量碳含量與ANME古菌群落豐度呈負相關。 【關鍵詞】：崇西濕地 蘆葦 落羽杉 光灘 甲烷厭氧氧化 定量PCR DGGE 克隆文庫
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X17
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-15
• 第一章 緒論15-29
• 1.1 前言15-16
• 1.2 濕地甲烷厭氧氧化作用的類型16-19
• 1.2.1 硫酸鹽還原型16-18
• 1.2.2 硝酸鹽還原型18-19
• 1.3 甲烷厭氧氧化作用的影響因素19
• 1.4 甲烷厭氧氧化作用的微生物機制19-26
• 1.4.1 甲烷厭氧氧化菌的培養(yǎng)19-20
• 1.4.2 甲烷厭氧氧化菌的分類20-24
• 1.4.3 甲烷厭氧氧化作用的分子生態(tài)機制24-26
• 1.5 研究區(qū)域概況26-27
• 1.6 研究內(nèi)容及研究目標27-29
• 1.6.1 研究內(nèi)容27-28
• 1.6.2 研究目的及意義28
• 1.6.3 技術路線28-29
• 第二章 不同植物群落對甲烷厭氧氧化潛力的影響29-47
• 2.1 樣品采集地點29-30
• 2.2 研究方法30-34
• 2.2.1 土壤樣本的采集和處理30
• 2.2.2 土壤基本理化性質測定30-33
• 2.2.3 甲烷厭氧氧化潛力測定33
• 2.2.4 甲烷氣體樣品的檢測33-34
• 2.2.5 數(shù)據(jù)處理34
• 2.3 結果與分析34-43
• 2.3.1 不同植物群落濕地土壤的 TC，SOC，SIC 變化34-37
• 2.3.2 不同植物群落濕地土壤的微生物量碳的變化37-39
• 2.3.3 不同植物群落濕地土壤的總氮含量變化39
• 2.3.4 不同植物群落濕地土壤的總鐵含量的變化39-40
• 2.3.5 不同植物群落濕地土壤的 SO2-4含量的變化40-41
• 2.3.6 不同植物群落濕地土壤甲烷厭氧氧化潛力的變化41-42
• 2.3.7 甲烷厭氧氧化潛力的線性回歸分析42-43
• 2.4 討論43-46
• 2.4.1 不同植物群落對土壤理化性質影響的分析43-45
• 2.4.2 不同植物群落對土壤甲烷厭氧氧化潛力的影響45-46
• 2.5 小結46-47
• 第三章 甲烷厭氧氧化微生物群落結構多樣性47-67
• 3.1 材料與方法47-54
• 3.1.1 供試土壤47
• 3.1.2 實驗儀器47
• 3.1.3 實驗試劑47-48
• 3.1.4 PCR 擴增引物48
• 3.1.5 ANME 古菌 16S rRNA 基因 PCR 條件48-50
• 3.1.7 土壤總 DNA 提取50-51
• 3.1.8 變性梯度凝膠電泳（DGGE）51-52
• 3.1.9 不同植物群落土壤的 ANME 古菌 16S rRNA 基因構建克隆文庫測序52-54
• 3.1.10 數(shù)據(jù)處理54
• 3.2 結果與分析54-63
• 3.2.1 光灘濕地 ANME 古菌 16S rRNA 的 DGGE 指紋圖譜分析54-56
• 3.2.2 蘆葦群落濕地 ANME 古菌 16S rRNA 的 DGGE 指紋圖譜分析56-58
• 3.2.3 落羽杉群落濕地 ANME 古菌 16S rRNA 的 DGGE 指紋圖譜分析58-59
• 3.2.4 不同植物群落濕地土壤 ANME 古菌群落多樣性比較59
• 3.2.5 濕地土壤 ANME 古菌 16S rRNA 基因克隆文庫分析59-61
• 3.2.6 濕地土壤 ANME 古菌 16S rRNA 基因文庫的序列分析61-63
• 3.3 討論63-65
• 3.3.1 不同植物群落濕地土壤 ANME 古菌群落多樣性差異分析63-64
• 3.3.2 不同植物濕地土壤 ANME 古菌 16S rRNA 基因克隆文庫序列分析64-65
• 3.4 小結65-67
• 第四章 甲烷厭氧氧化微生物群落豐度多樣性67-74
• 4.1 材料與方法67-70
• 4.1.1 供試土壤67
• 4.1.2 研究方法67-70
• 4.1.3 數(shù)據(jù)處理70
• 4.2 結果與分析70-72
• 4.2.1 不同植物濕地土壤 ANME 古菌 16S rRNA 基因豐度多樣性70-71
• 4.2.2 環(huán)境因子與 ANME 古菌 16S rRNA 基因群落豐度的相關性分析71-72
• 4.3 討論不同植物群落對濕地土壤 ANME 古菌群落豐度的影響72
• 4.4 小結72-74
• 第五章 結論與展望74-76
• 5.1 結論74-75
• 5.2 展望75-76
• 參考文獻76-85
• 作者在攻讀碩士學位期間公開發(fā)表的論文85-86
• 致謝86

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