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太湖作为我国第三大淡水湖泊,其富营养化程度日益加深,生态系统也因此遭到破坏,严重影响了该地区农业与环境的可持续发展。评价水体质量的指标有物理指标、化学指标及生物指标。水体微生物作为水体质量的指标,对水体的质量有着十分重要的影响。水稻浮床对水体中功能微生物的群落结构产生何种影响,这方面的研究将为水体富营养化问题产生的原因,治理方式等提供一些重要的科学依据。
氮素是产生水体富营养化问题的主要元素,因此水体中与除氮有关的功能微生物成为解决水体富营养化问题的关键因素,包括固氮微生物、硝化细菌、反硝化细菌等。由于水体微生物绝大部分种类在实验条件下难以培养,因此绕过传统微生物分离培养方法的局限,采用分子生物学技术直接从核酸水平研究水体中微生物群落结构成为微生物多样性研究的趋势。本课题选择胡埭镇生态基地水稻浮床,通过限制性片段长度多态性(Restriction Fragment Length Polymorphism,RFLP)分子生物学方法研究水稻浮床对水体中固氮微生物、硝化细菌、反硝化细菌相关功能基因(nifH、amoA、nirK、nosZ)多样性的影响。
本实验构建的三个nifH基因文库共有176个克隆子,包括30种OTUs。其中nifH-LW的52个阳性克隆中有18个不同的谱带型;文库nifH-FW的71个阳性克隆中有8个不同的谱带型;文库nifH-RW的53个阳性克隆中有19个不同的谱带型。nifH-RW文库各项多样性指数都相对较高,nifH-FW的各项多样性指数都较低,与nifH-RW和nifH-LW相差较大,nifH-RW>nifH-LW>nifH-FW。测序与比对结果显示,大部分OTUs与已知固氮微生物Proteobacteria具有较高的相似性。
amoA基因文库共得到183个克隆子,有20种OTUs,其中文库amoA-LW的66个阳性克隆中有9个不同的谱带型;文库amoA-FW的55个阳性克隆中有10个不同的谱带型;文库amoA-RW的62个阳性克隆中有12个不同的谱带型。amoA的多样性较低,三个文库的多样性指数相差不大,amoA-RW>amoA-FW>amoA-LW。amoA-FW和amoA-LW文库的优势类型相同与亚硝化单胞菌属相似度分别达到98%和99%,amoA-RW文库的优势类型与亚硝化弧菌属的相似性达到94%。
nosZ基因文库共得到174个克隆子,OTUs有53种。其中文库nosZ-LW的50个阳性克隆中有27不同的谱带型;文库nosZ-FW的63个阳性克隆中有28个不同的谱带型;文库nosZ-RW的61个阳性克隆中有38个不同的谱带型,nosZ-R W>nosZ-LW>nosZ-FW。nosZ-FW的优势类型与未培养细菌相似性较高,nosZ-LW的优势类型与假单胞菌属相似性高达92%,而nosZ-RW的优势类型与固氮螺菌属相似性为88%。
nirK基因文库共得到223个克隆子,包括61种OTUs。其中文库nirK-LW的80个阳性克隆中有31不同的谱带型;文库nirK-FW的75个阳性克隆中有36个不同的谱带型;文库nirK-RW的68个阳性克隆中有35个不同的谱带型,nirK-FW>nirK-RW>nirK-LW。nirK-LW的优势菌群与苍白杆菌的相似性高达99%,nirK-RW和nirK-FW的优势菌群均与未培养菌具有较高的相似性。
结果表明水稻浮床系统可明显改变水体中细菌的数量和种类,综合氮素代谢微生物基因多样性研究结果,推测由于水稻浮床的引入,水体的优势菌群和微生物的群落结构发生较大的改变,促进了水体的氮循环,加强了水体的自净功能,试验结果为利用陆生植物浮床治理富营养化水体奠定理论基础,为生态浮床的发展提供了科学依据。