南極苔原土壤細菌群落和酶活性分布特征及其影響因素.pdf

1、土壤微生物是土壤圈的重要組成部分。微生物在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)功能，如碳氮循環(huán)過程、有機質(zhì)分解和溫室氣體排放中起重要作用，是生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動者。環(huán)境條件改變會直接或間接地影響微生物群落組成和功能，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在南北極陸地生態(tài)系統(tǒng)，極端的氣候條件導(dǎo)致極區(qū)幾乎沒有大型植物生長，微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中占絕對優(yōu)勢，其對全球氣候變化具有敏感的指示作用。本文應(yīng)用PCR-DGGE、克隆測序、Bar-coded焦磷酸測序和熒光定量PCR等

2、先進的分子生物學(xué)技術(shù)和多種統(tǒng)計分析方法，結(jié)合土壤酶活性、微生物量碳(Cmin)和土壤呼吸指標等，系統(tǒng)地研究了南極典型生態(tài)區(qū)土壤細菌群落的分布特征:探討了企鵝和海豹活動、人類活動以及自然生態(tài)因子等對南極土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的影響，豐富和拓展了極地微生物學(xué)研究領(lǐng)域;為從微生物層次上闡明南極陸地生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)過程和機理，以及預(yù)測未來氣候變化對南極生態(tài)系統(tǒng)的影響及其反饋作用，提供了理論依據(jù)。該論文主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　 (1)東

3、南極企鵝、海豹聚居地細菌群落的分布特征
　　 對東南極西福爾丘陵地區(qū)四個企鵝、海豹聚居地糞土剖面中酶活性和細菌群落分布特征進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)企鵝和海豹聚居地糞土剖面中Cmin、土壤呼吸和酶活性隨深度增加而遞減，且企鵝聚居地糞土含量高于海豹聚居地（1-2倍）。土壤細菌豐度與土壤pH值(p=0.024; p=0.048)、含水率(p=0.021)、有機碳(p＜0.001)和總氮(p＜0.001)含量呈顯著正相關(guān)，細菌豐度與企鵝糞、

4、海豹糞相對含量隨土壤深度的變化高度一致，表明土壤細菌的豐度取決于企鵝糞和海豹糞的沉降量。16S rDNA-DGGE分子指紋圖譜和香濃多樣性指數(shù)結(jié)果表明企鵝和海豹聚居地糞土含有復(fù)雜的細菌群落結(jié)構(gòu)。DGGE圖譜條帶豐富度和優(yōu)勢條帶數(shù)目都隨土壤深度增加而遞減。聚類分析和非度量多維標度(NMDS)分析表明:四個土壤剖面細菌組成差異明顯，且聚為四類。切取優(yōu)勢條帶克隆測序表明:優(yōu)勢細菌門類是變形菌（Proteobacteria，36.84％）、放線

5、菌(Actinobacteria，24.65％)、擬桿菌（Bacteroidetes,21.05％）、異常球菌（Deinococcus-Thermus,5.26％）、綠彎菌（Chloroflexi,5.26％）和厚壁菌（Firmicutes,3.51％）。研究結(jié)果表明:動物排泄物沉降量引起土壤中有機碳、總氮、pH值和含水率等的不同，可能是造成細菌豐度和多樣性在土壤垂直深度上較大差異的主要原因。
　　 (2)西南極典型生態(tài)區(qū)土壤細

6、菌群落的分布特征
　　 對西南極法爾茲半島地區(qū)企鵝聚居地、海豹聚居地、人類活動區(qū)、苔蘚植被區(qū)、湖泊沉積物和背景地區(qū)等不同生態(tài)區(qū)土壤進行了系統(tǒng)地對比分析研究，結(jié)果表明:土壤轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶、脲酶活性、細菌豐度在企鵝、海豹聚居地糞土中高于其它類型土壤。土壤轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶活性與土壤碳氮磷含量呈正相關(guān)，細菌豐度與土壤磷酸酶(p=0.006)、脲酶(p＜0.001)、含水率(p＜0.05)、總碳(p＜0.001)、總氮(p=0.005)、C

7、/N(p=0.007)和總磷(p=0.05)呈顯著正相關(guān)。DGGE分子指紋圖譜顯示動物聚居地糞土相對于其它類型土壤，含有較密較粗的條帶，一些片段較大的優(yōu)勢條帶富集在圖譜上層。高通量測序表明:主要優(yōu)勢門類菌種為:β-變形菌（Betaproteobacteria）、放線菌（Actino bacterium）、擬桿菌（Bacteroidetes）、γ-變形菌（Gammaproteobacteria）、芽單胞菌（Gemmatimonadetes

8、）、厚壁菌（Firmicutes）、綠彎菌（Chloroflexi）、酸桿菌(Acidobacteria)和α-變形菌（Alphaproteobacteria），占86.7％。企鵝、海豹以及人類活動對法爾茲半島細菌群落影響顯著，不同生態(tài)區(qū)土壤細菌群落結(jié)構(gòu)差異明顯。背景地區(qū)有高的細菌系統(tǒng)發(fā)育多樣性和豐富度指數(shù)（OUT=976; PD=85.79），動物活動和人類活動降低細菌多樣性(OUT=273; PD=21.34)。皮爾森相關(guān)性分析表明

9、:土壤TN(p=0.0031;p＜0.001)、TC(p=0.011;p=0.0024)、C/N(p=0.031;p=0.0028)和 Zn(p=0.030;p=0.025)含量是影響土壤細菌系統(tǒng)發(fā)育多樣性和豐富度指數(shù)的主要環(huán)境因子。土壤碳、氮含量同擬桿菌相對豐度呈顯著正相關(guān)(p=0.003;p=0.007)，同β-變形菌和放線菌相對豐度呈負相關(guān)。
　　 (3) Y2湖沉積剖面細菌群落分布特征及其影響因素
　　 對西南極

10、阿德雷島Y2湖受企鵝糞影響的沉積剖面中細菌群落分布特征進行了詳細研究。Y2湖沉積剖面pH、含水率、總碳、總氮、Cu、Zn、Sr、Ba、Fe、Mn、Mg和Al等12種理化指標隨深度變化表現(xiàn)出高度一致性，總體上變化可以分為四個區(qū)域:0-7cm，表層較高，隨深度增加而遞減;7-23cm，隨深度增加緩慢增加;23-34cm，顯著銳減，最低值在32cm;34-48cm，隨深度增加而增加。Fe、Mn、Mg和Al四種元素在23-34cm和34-48c

11、m變化趨勢相反，且最大值在32cm。在DGGE指紋圖譜分為三個區(qū)域:1-22cm，整體上條帶變動不大;23-36cm，條帶密度和優(yōu)勢特征帶明顯增加;37-48cm，變化范圍不大。細菌豐度隨深度分布分為四個區(qū)間:最表層含有高的細菌豐度，隨著深度減小(0-8cm);緩慢地增加(8-23cm);顯著增加(23-32cm);緩慢地降低(32-48cm)的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在32cm。主要的優(yōu)勢門類菌種為:β-變形菌（Betaproteobac

12、teria）、放線菌（Actinobacterium）、γ-變形菌（Gammaproteobacteria）、擬桿菌（Bacteroidetes）、芽單胞菌（Gemmatimonadetes）、酸桿菌（Acidobacteria）、綠彎菌（Firmicutes），占據(jù)87.2％。綜合理化性質(zhì)、DGGE圖譜、定量PCR和454高通量測序結(jié)果表明:歷史時期企鵝數(shù)量變動和企鵝糞沉積量是影響沉積剖面中細菌群落結(jié)構(gòu)多樣性的重要因素。
　　

13、 (4)南北極土壤剖面磷酸酶活性變化特征及其對磷循環(huán)的影響
　　 對東南極西福爾丘陵、拉斯曼丘陵和北極新奧爾松地區(qū)，不同環(huán)境類型土壤剖面中堿性磷酸酶活性進行了測定，發(fā)現(xiàn)剖面中堿性磷酸酶活力隨深度呈一定規(guī)律性分布，最大值出現(xiàn)在最表層，隨深度增加而遞減。堿性磷酸酶活性與土壤中有機碳、總氮含量呈顯著正相關(guān)，與各形態(tài)磷含量呈正相關(guān)。堿性磷酸酶活力與土壤中銅、鋅含量呈負相關(guān)，表明重金屬對土壤中磷酸酶活力有抑制和破壞作用?；|(zhì)結(jié)合態(tài)磷化氫(