城市中富营养化湖泊河道细菌群落多样性研究

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本文以受污染的城市河道和城市内湖等淡水水体为研究对象,采用变性梯度凝胶电泳技术手段,结合PCR技术,研究了富营养化淡水水体/底泥中细菌种群在空间和时间上的分布特征及变化规律。研究对象分别为杭州西湖、武汉东湖和合肥南淝河。   针对杭州西湖西进区域,采用依靠培养和不依靠培养的DGGE技术分析了该区域细菌的16SrDNA,探讨水体和底泥细菌群落的遗传多样性。水样结果显示:尽管水体的大多数细菌种群的存在量很低,但其细菌群落结构是很复杂的;子湖乌龟潭拥有较高的细菌多样性(DGGE图谱上显示有27个条带);地理上的隔离并不能降低该区域各个子湖之间的相似性,相反同一子湖的不同采样位点的细菌群落结构的相似性却不高;在西湖西进区域发现了两个优势物种,分别是未培养细菌HQ671854.1和AnaerobicbacteriumANANo.40AB064556.1;当用富集培养基(M2和LB培养基)培养时,优势细菌分别属于不动杆菌属(Acinetobactersp.)和假单胞菌属(Pseudomonassp.)。   分析底泥细菌群落结构结果显示:3个子湖各个位点各个层面未培养细菌的群落结构复杂,大部分物种的存在量很低,只有两个物种为优势物种。其中茅家埠3号位点各个层面底泥样品的未培养细菌群落结构最复杂,且优势物种也最多。茅家埠同一位点不同层深的底泥样品细菌相似性均较高;不同位点间的相似性却不高。乌龟潭和浴鹄湾底泥样品的细菌群落结构较为相近。可培养细菌的多样性低于未培养细菌,但可培养细菌物种的数量在各个位点和深度的分布比较均衡;可培养的优势物种数量多于未培养细菌。经M2培养基扩大培养后,茅家埠各个位点各个层面的细菌群落结构更为相似;而乌龟潭与浴鹄湾之间的可培养细菌群落差异较大。而底泥中的Acinetobactersp.HS-B1(不动杆菌属)和UnculturedbacteriumcloneGUP5C11是所有位点共有的优势物种。恶臭假单胞菌(Pseudomonasputida)是茅家埠3号位点特有菌株,其分布与有机质和总氮呈正相关,而与pH值的大小呈负相关;Betaproteobacterium和Deltaproteobacterium两物种在西湖西进区域底泥的含量至少为8%;有机质在西湖西进区域底泥细菌群落结构组成中发挥着关键的作用。   为了探讨水生植物修复对杭州西湖水体细菌群落结构的影响,比较了水草种植区和无水草区浮游细菌群落结构,结果显示:西湖植物修复区域植物的种植可显著抑制水体中的细菌的繁殖,植物种植区细菌数量明显较无草区低。茅家埠、乌龟潭和浴鹄湾水生植物种植区的细菌数量分别是相应无草区细菌数量的2、2和12倍。西湖不同植物修复区的细菌优势条带各不相同,且植物种植区的细菌群落结构较无草区复杂。茅家埠细菌群落结构的相似性随湖水流向逐渐降低,其中1号和3号位点的相似性指数(Cs)是84.4%;而1号和4号的Cs值是65.6%。植物修复区的细菌群落结构和未修复区域(西湖主湖区)明显不同,其中茅家埠植物种植区和西湖出水处的细菌属于两个不同的群落结构,相似性仅为6.7%;而修复区内不同子湖的植物种植区细菌群落结构的相似性却较高。植物修复可以去除水体中的病原菌。目标序列w22和w25与病原菌表现了100%的相似性,w22存在于西湖补给水和西湖主湖区9号点;而w25在西湖主湖区两个位点9号和10号均有发现,但在3个子湖也即植物修复区没有发现。放线菌门是植物修复区域的优势菌,无论细菌数量还是种类。属于放线菌门的目标序列有6个,在本研究中占西湖总目标序列的20%,且大部分分布于西湖水生植物修复区的3个子湖中,仅9号目标序列在西湖主湖区有少量分布。   东湖是武汉市的城中湖,具有重要的生态功能,为了研究东湖水体中细菌群落的时空特征,分别于2009年3月、6月、9月和12月在东湖庙湖、郭郑湖、汤菱湖、团湖和后湖等5个子湖采集水样,提取总DNA,获得水体细菌群落的DGGE指纹图谱。结果表明:东湖水体不同季节细菌的群落结构及其相似性明显不同。汤菱湖的细菌群落拥有较高的丰富度,且优势物种及种群结构的相似性在四个季节中也不同于东湖的其他子湖;庙湖和郭郑湖的优势物种及细菌群落结构的相似性在全年均为最高;夏季各个采样位点有共同的优势物种,但优势物种的数量和种类却不相同。冬季各个位点的细菌群落结构的相似性明显要低于秋季,群落结构复杂,优势种群分化不明显。东湖水体在重度富营养化条件下(庙湖),水体透明度降低,浮游细菌大量繁殖,群落结构的多样性降低;中度富营养化水平,浮游细菌大量繁殖,群落结构较复杂(汤菱湖);洁净水体中(后湖),水体透明度全年较高,浮游细菌数量低,但群落结构也较简单。湖水中氨氮、总氮、总磷和化学需氧量与浮游细菌的生物多样性呈负相关;而与细菌的数量呈正相关。   南淝河是巢湖流域的一个重要分支,是合肥市的“母亲河”,对其进行生态修复具有重要意义。为了研究受污染城市河道南淝河修复前细菌群落的多样性,于2009年10月(秋季)和2010年1月(冬季)在南淝河河道中采集水样,直接从水中提取总DNA,用细菌16SrDNA的通用引物对V3区进行PCR扩增,PCR产物经DGGE(变形梯度凝胶电泳)分离后,获得水体细菌群落的DGGE指纹图谱;同时运用平板计数法对水体的异养细菌进行计数。结果表明:不同季节,不同位点南淝河的细菌群落的多样性都很丰富,但不同季节优势种有差异;相同季节临近位点细菌种群结构的相似性较高,且有顺河而下相近位点相似性增高的趋势。南淝河水体异养细菌数量秋季为20.3~616.3×103CFU/mL,冬季为2.3~53.6×103CFU/mL,冬季异养细菌数量比秋季低一个数量级,并且从上游到下游逐渐增多。与其他同等富营养化水平的水体相比,其异养细菌数较低。总氮、氨氮、无机磷、硝态氮和BOD5与细菌数量呈正相关;SS与细菌数量呈负相关。
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