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环境因素对水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌群落的影响

作　者: 朱超
导　师: 曲东
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 微生物学
关键词: 水稻土群落结构地杆菌厌氧粘细菌 16S rRNA 丰度
分类号: S154.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

地杆菌和厌氧粘细菌是两类隶属变形杆菌δ亚纲的微生物Fe（Ⅲ）还原细菌,广泛分布于厌氧沉积环境,并且能够参于变价重金属的氧化还原、放射性金属元素稳定化及有机卤化物的生物代谢过程。鉴于地杆菌和厌氧粘细菌在环境修复以及微生物电池方面的重要作用,二者成为目前的研究热点。地杆菌和厌氧粘细菌具有代谢乙酸盐的特征,在厌氧条件下通过微生物Fe（Ⅲ）还原作用,能够有效地竞争电子供体使水稻土中依赖乙酸盐的产甲烷过程被抑制。目前,针对水稻土中微生物丰度和群落结构的研究多集中在产甲烷菌、氨氧化细菌和古菌等功能群落上,关于铁还原群落的丰度特别是其动态变化鲜有报道。结合我国丰富的水稻土资源,研究地杆菌和厌氧粘细菌在不同水稻土中的群落结构和丰度,包括环境因素对它们的影响,不仅可以深化对水稻田微生物生态的认识,而且对于阐明水稻土中微生物Fe（Ⅲ）还原机理及群落演替特征具有重要意义。本论文的主要结果包括以下方面:（1）不同区域水稻土样品的Fe（Ⅲ）还原潜势有显著差异,表现出由北向南逐渐降低的趋势。采自浙江和天津的水稻土样品淹水12 h后地杆菌和厌氧粘细菌16S rRNA基因拷贝数变化明显,显示两类土样中土著地杆菌和厌氧粘细菌对淹水过程具有高度敏感性,而采自吉林和广西的水稻土样品对淹水响应不敏感;淹水培养初期不同水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌的丰度可以反映其Fe（Ⅲ）还原能力的差异。（2） 16⁵0°C下进行培养时,地杆菌和厌氧粘细菌均在30°C条件下具有最大代谢活性群落多样性;地杆菌群落多样性随温度升高而增高,厌氧粘细菌群落多样性则相反,表明二者应对生境变化的生存策略不同。在RNA和DNA水平上,对克隆序列采用Unifrac显著性分析得知,温度显著影响了厌氧粘细菌的优势群落变化,而对地杆菌的优势群落结构影响不显著。50°C时的地杆菌和厌氧粘细菌丰度最低,但Fe（Ⅲ）最大还原潜势和最大反应速率却处于中等水平,暗示泥浆中存在嗜热Fe（Ⅲ）还原菌。不同温度下检测到的水稻土地杆菌克隆多数同涉及生物修复的地杆菌种属高度同源,强调了地杆菌在厌氧淹水水稻土中的功能和生态学意义。（3）含氧浓度对于水稻土泥浆中微生物数量及群落结构具有显著影响。泥浆上方连续通O₂处理中地杆菌和厌氧粘细菌的丰度明显高于其他处理,表现出二者对于微含氧环境的良好适应性,说明在有氧水稻土泥浆环境中地杆菌能够生长。各处理中地杆菌的丰度均高于厌氧粘细菌,特别是在培养的初始阶段,显示出地杆菌群落迅速适应环境并生长的特点。Geobacter bremensis和Geobacter bemidjiensis是本研究条件下不同含O₂浓度泥浆中的优势地杆菌种群,体现二者对不同含氧环境的良好耐受能力。当厌氧环境转变为微含氧环境时,无论是基于DNA还是RNA,微含氧泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌的群落多样性均高于严格厌氧培养,体现出二者以扩大种群数量应对氧浓度条件变化的特性。（4）调控初始pH值对水稻土泥浆pH变化趋势影响不大,对最大Fe（Ⅲ）还原潜势也没有影响,最大Fe（Ⅲ）还原潜势取决于土壤的无定形铁含量。泥浆初始pH调控过低,会持续抑制泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌的16S rRNA基因拷贝数,从而显著延缓最大Fe（Ⅲ）还原速率对应时间;适当调低泥浆初始pH值则有利于地杆菌和厌氧粘细菌拷贝数的升高,这在培养后期十分明显,说明通过调节初始pH值可以控制水稻土泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌的生长。（5）有机秸秆添加显著减少地杆菌和厌氧粘细菌的拷贝数,提高了细菌拷贝数,但对Fe（Ⅲ）还原过程并无影响,说明参与复杂有机质分解代谢的细菌群落对Fe（Ⅲ）还原亦有贡献。地杆菌和厌氧粘细菌丰度Fe（Ⅲ）还原联系紧密,并在Fe（Ⅲ）还原活跃时期表现出共生效应。通过本文的研究,对不水稻土和不同环境条件下土著地杆菌和厌氧粘细菌的丰度和群落结构有了进一步的认识,探讨了土壤性质以及环境因素同微生物Fe（Ⅲ）还原之间的联系,为进一步明确水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌的分布、系统分类特征和生态功能、探讨不同水稻土中微生物Fe（Ⅲ）还原能力差异提供理论依据。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
第一章文献综述  15-34
  1.1 微生物铁还原  15-22
    1.1.1 酶介导铁还原的重要性  16-17
    1.1.2 铁还原过程的发生  17
    1.1.3 异化铁还原微生物  17-20
    1.1.4 铁还原机制  20-22
    1.1.5 Fe(Ⅲ)还原微生物分子生态研究  22
  1.2 环境中的Fe(Ⅲ)  22-25
    1.2.1 环境中Fe(Ⅲ)的生物利用度  22-23
    1.2.2 水稻土中的铁循环以及分布  23-25
  1.3 水稻土的特性  25-27
    1.3.1 水稻土中的氧还交替和pH  25
    1.3.2 水稻土中的可溶解有机质  25-26
    1.3.3 水稻土中的主要细菌种群  26
    1.3.4 淹水对水稻土中微生物的影响  26-27
  1.4 地杆菌科和厌氧粘细菌的相关研究  27-34
    1.4.1 地杆菌和厌氧粘细菌的系统发育研究  27-28
    1.4.2 地杆菌和厌氧粘细菌的生理性质  28-29
    1.4.3 地杆菌和厌氧粘细菌还原Fe(Ⅲ)的机制  29-30
    1.4.4 地杆菌和厌氧粘细菌的分子生理研究  30-31
    1.4.5 水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌的研究  31-32
    1.4.6 地杆菌和厌氧粘细菌的环境学意义  32-34
第二章研究内容与方法  34-39
  2.1 研究目的与意义  34-35
  2.2 研究内容  35-36
  2.3 主要技术方法  36-39
    2.3.1 水稻土厌氧泥浆培养  36
    2.3.2 PCR 和realtime PCR  36-37
    2.3.3 随即扩增片段长度多态性（RFLP）分析  37
    2.3.4 单链构象多态性（SSCP）技术  37-39
第三章淹水培养对水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌丰度的影响  39-50
  3.1 材料与方法  39-41
    3.1.1 供试土样  39-40
    3.1.2 泥浆培养及Fe(Ⅱ)含量测定  40-41
    3.1.3 土样中微生物总DNA 提取  41
    3.1.4 16S rDNA 的 Realtime PCR  41
    3.1.5 数据处理  41
  3.2 结果与分析  41-46
    3.2.1 不同水稻土中Fe(Ⅲ)还原特征  41-43
    3.2.2 淹水初期不同水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌的丰度变化  43-44
    3.2.3 短期淹水培养过程中地杆菌和厌氧粘细菌丰度变化  44-45
    3.2.4 短期淹水培养过程中硫酸盐含量变化  45
    3.2.5 不同水稻土处理间的聚类分析  45-46
  3.3 讨论  46-49
    3.3.1 不同水稻土中Fe(Ⅲ)还原能力的差异  46-47
    3.3.2 16S rDNA 拷贝数与群落演替  47
    3.3.3 水稻土pH 与地杆菌和厌氧粘细菌对淹水的敏感性  47-48
    3.3.4 不同水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌丰度变化与 Fe(Ⅲ)还原的关系  48-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章温度对水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌丰度和群落结构的影响  50-70
  4.1 材料与方法  51-54
    4.1.1 供试土样  51
    4.1.2 试验设置  51
    4.1.3 泥浆培养和Fe(Ⅱ)含量的测定  51
    4.1.4 水稻土泥浆中DNA 和RNA 的提取以及cDNA 链的合成  51
    4.1.5 16S rDNA 和16S rcDNA 克隆序列文库的建立  51-53
    4.1.6 RFLP 指纹图谱和多样性分析  53
    4.1.7 测序和系统发育分析  53-54
    4.1.8 丰度测定  54
  4.2 结果与分析  54-65
    4.2.1 不同温度下水稻土泥浆中 Fe(Ⅲ)还原特征  54-55
    4.2.2 不同温度下水稻土泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌的丰度变化  55-57
    4.2.3 细菌、地杆菌和厌氧粘细菌的群落多样性  57-60
    4.2.4 基于 DNA 和 RNA 的地杆菌和厌氧粘细菌优势群落构成比较  60-62
    4.2.5 地杆菌和厌氧粘细菌的进化树构建和系统发育分析  62-65
  4.3 讨论  65-68
    4.3.1 温度对Fe(Ⅲ)还原的影响  65-66
    4.3.2 温度对地杆菌和厌氧粘细菌丰度的影响  66
    4.3.3 不同温度下基于DNA 和RNA 的地杆菌和厌氧粘细菌群落结构  66-68
      4.3.3.1 地杆菌群落结构  67-68
      4.3.3.2 厌氧粘细菌群落结构  68
  4.4 本章小节  68-70
第五章含氧浓度对水稻土泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌丰度和群落结构的影响.  70-85
  5.1 材料和方法  71-72
    5.1.1 供试土样  71
    5.1.2 试验设置  71
    5.1.3 泥浆培养及Fe(Ⅱ)含量测定  71
    5.1.4 水稻土泥浆中DNA 和RNA 的提取以及cDNA 链的合成  71-72
    5.1.5 16S rDNA 和16S rcDNA 克隆序列文库的建立  72
    5.1.6 RFLP 指纹图谱和多样性分析  72
    5.1.7 SSCP 分析  72
    5.1.8 测序和系统发育分析  72
    5.1.9 丰度测定  72
  5.2 结果与分析  72-82
    5.2.1 氧浓度对Fe(Ⅲ)还原的影响  72-73
    5.2.2 不同含氧浓度泥浆中的地杆菌和厌氧粘细菌丰度  73-75
    5.2.3 聚类分析  75-76
    5.2.4 不同处理环境克隆多样性比较  76-77
    5.2.5 氧浓度变化与细菌群落演替  77-78
    5.2.6 不同含氧浓度水稻土泥浆中的微生物群落结构SSCP 分析  78-82
  5.3 讨论  82-84
    5.3.1 不同含氧浓度水稻土泥浆中的Fe(Ⅲ)  82
    5.3.2 厌氧-有氧条件转换下水稻土泥浆中的细菌群落演替和多样性..  82-83
    5.3.3 不同含氧浓度水稻土泥浆中的地杆菌和厌氧粘细菌  83-84
  5.4 本章小结  84-85
第六章 pH 值和有机质对水稻土泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌丰度的影响  85-107
  6.1 材料和方法  87-88
    6.1.1 供试土壤  87
    6.1.2 试验设置  87
    6.1.3 泥浆培养及Fe(Ⅱ)含量和pH 值的测定  87
    6.1.4 DNA 提取  87
    6.1.5 丰度测定  87-88
    6.1.6 数据分析  88
  6.2 结果与分析  88-101
    6.2.1 厌氧淹水培养水稻土泥浆中pH 值的变化  88-90
    6.2.2 土壤性质和Fe(Ⅲ)还原的关系  90-93
    6.2.3 有机质对厌氧水稻土泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌丰度的影响  93-95
    6.2.4 初始pH 值对厌氧水稻土泥浆中地杆菌和厌氧粘细菌丰度的影响  95-97
    6.2.5 微生物丰度与土壤性质和Fe(Ⅲ)还原的关系  97-101
    6.2.6 不同处理基于real timePCR 的聚类分析  101
  6.3 讨论  101-105
    6.3.1 泥浆pH 值的变化  101-102
    6.3.2 Fe(Ⅲ)还原  102-103
    6.3.3 有机质对地杆菌和厌氧粘细菌丰度的影响  103-104
    6.3.4 初始pH 对地杆菌和厌氧粘细菌丰度的影响  104-105
    6.3.5 不同淹水时期的地杆菌和厌氧粘细菌  105
  6.4 本章小结  105-107
第七章结论与展望  107-110
  7.1 本研究的主要结论  107-108
  7.2 论文创新点  108
  7.3 展望  108-110
参考文献  110-134
致谢  134-135
作者简介  135

环境因素对水稻土中地杆菌和厌氧粘细菌群落的影响

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