IOCAS-IR
改性粘土治理赤潮对细菌群落的影响及机理研究
丁玉
Subtype博士
Thesis Advisor宋秀贤
2022-05
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院海洋研究所
Degree Name博士学位
Degree Discipline环境科学
Keyword改性粘土 细菌群落组成 病原菌 16S rDNA 转录组分析
Abstract

近年来,赤潮灾害频繁暴发,已严重威胁沿海经济发展和人类社会公众健康。因此,迫切需要一种高效、安全的应急处置技术来控制赤潮灾害蔓延、降低其危害。改性粘土Modified clayMC技术是目前为数不多的可在现场大规模应用的赤潮治理方法,具有高效、环保、易于操作等特点。在治理赤潮的同时,改性粘土的生态环境安全也被广泛关注,迄今的研究结果表明,改性粘土不仅对其他非赤潮生物无不良影响,而且还能够有效降低水体的藻毒素和富营养化水平,但对细菌群落结构以及病原菌等方面的研究较少。而细菌作为生态系统的分解者,在物质循环、能量流动、生物健康等方面扮演关键角色。本论文通过实验室、现场不同尺度实验,研究了改性粘土去除微藻后对细菌群落(密度、组成、功能)的影响,结合相关水质参数,探讨了细菌群落变化与环境因子之间的联系。同时,重点关注了改性粘土对养殖水体中潜在病原菌的影响,并深入分析了改性粘土对病原菌的作用机制,进一步丰富和完善了改性粘土生态环境效应方面的研究和认识。主要研究内容和结果如下:

1. 改性粘土治理赤潮过程中絮体细菌群落变化特征:利用流式细胞仪对改性粘土处理后底层絮体中的细菌计数发现,改性粘土在絮凝沉降藻细胞的同时也会对细菌产生絮凝作用。另外,采用16S rDNA高通量测序技术对絮体中细菌群落结构进行研究,结果发现,不同类型改性粘土处理后,絮体中的细菌群落组成差异显著,MCⅠ组絮体中细菌主要以Stenotrophomonas为主,MCⅡ组中CeleribacterMuricaudaAltererythrobacterSulfitobacter等占比较高。同时,FAPROTAX功能预测发现,细菌群落的功能因不同改性粘土产生了不同的变化。在MCⅠ组中,具有硝酸盐还原、固氮作用等与氮循环功能相关的细菌丰度增高,MCⅡ组中,硫氧化、硫化合物氧化、亚硫酸盐氧化等功能细菌占比较高。另外,细菌群落功能改变也会对营养盐循环产生一定影响。

2. 改性粘土调控对养殖水体中细菌群落的影响:利用高通量测序技术和随机矩阵理论,分析了改性粘土调控对凡纳滨对虾养殖水体中微生物群落的影响。结果发现,在改性粘土的调控下,养殖水体中病原菌含量较低,益生菌含量较高,改性粘土的使用维持了对养殖生物生长有利的细菌群落组成。同时,改性粘土调控池细菌群落的α多样性高于对照池,且组内Bray-Curtis距离均值低于对照池,在一定程度上说明改性粘土调控池细菌群落复杂且稳定。另外,网络的拓扑特征分析表明,改性粘土调控池中细菌群落的种间交互更为密集,其分子生态网络具有较高的抗环境干扰能力,表明改性粘土的使用增强了养殖水体中细菌群落的复杂性与稳定性。改性粘土调控养殖水体的细菌群落结构主要可分为两个方面:一是通过影响水体细菌群落网络的关键物种来直接改变细菌群落结构,二是通过对浮游植物和水质参数产生影响,进而间接改变细菌群落的组成。

3. 改性粘土去除病原菌的机理研究:本研究以溶藻弧菌(Vibrio alginolyticus)为对象,分析了添加改性粘土后对病原菌的去除及抑制机理。结果显示,改性粘土能够有效去除水体中的溶藻弧菌。通过生理生化实验发现,改性粘土处理后,絮体中溶藻弧菌形态发生改变,同时出现膜功能损伤、ROS过度积累、ATP产生量增加、运动性减弱等现象。另外,转录组结果显示,改性粘土絮体中的弧菌在物质代谢、能量传递、膜运输等方面均发生了改变,此外,改性粘土还可以抑制溶藻弧菌毒力基因的表达,例如鞭毛、菌毛、分泌系统、群体感应、铁载体等相关毒力因子基因,进而降低其毒力潜力。

综上,本研究首次以细菌群落作为切入点,研究改性粘土的生态效应。室内实验发现,改性粘土可以絮凝沉降细菌,且不同种类改性粘土会对细菌群落产生不同影响。现场研究发现,改性粘土对养殖水体具有调控作用,有助于提高水体中正常细菌群落的多样性、抑制病原菌的大量增殖,同时增加细菌群落的复杂性与稳定性,为养殖生物(凡纳滨对虾)的生长提供了更加健康有利的环境。进一步分析对病原菌的作用机制发现,改性粘土在絮凝降低水体中病原菌密度的同时,还能对沉降至底层的病原菌造成生理损伤和生长抑制,并且降低其毒力潜力。本研究进一步丰富了对改性粘土治理赤潮过程中生态效应的认识,为改性粘土治理赤潮技术的推广应用提供了理论支持。

MOST Discipline Catalogue工学::环境科学与工程(可授工学、理学、农学学位)
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/178321
Collection中国科学院海洋研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
丁玉. 改性粘土治理赤潮对细菌群落的影响及机理研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2022.
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