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喀斯特生态系统对了解石笋古气候记录中的生物学信息具有重要意义。本文以湖北省清江和尚洞微生物现代过程的监测,从土壤-洞穴滴水-石笋表面系统研究了微生物群落结构的变化,揭示了微生物与环境因子之间可能存在的关系,以期发掘石笋中更多微生物学信息,从而更加全面反映第四纪以来古气候以及古环境的变化。
对和尚洞洞内滴水1D、3D两个滴点的滴水pH值、电导率、温度、滴速以及可培养微生物的总量和结构进行了长达15个月观测,发现微生物总量和群落结构受滴水速率和温度影响最大。滴水速率越快,温度越高,则微生物群落总量越大,群落结构越复杂。因此微生物总量和群落结构变化明显反映了降雨量和温度这两个气候因子。而滴水中的电导率常年变化不大,对微生物的总量和群落结构影响较小。滴水速率变化趋势与滴水pH值变化趋势总体相反,这可能是由于二氧化碳从气体渗入到洞穴滴水的速率因滴水速率增加而增加,也可能是微生物新陈代谢产生酸,从而导致滴水中H+浓度增加而使pH值降低。
对4D点的洞穴滴水进行细菌的寡培养,上覆土壤和石笋表面进行16S rDNA基因文库和系统发育树的构建。发现石笋表面的微生物群落以Acidobacteria(16.7%),α-Proteobacteria(11.1%),β-Proteobacteria(11.7%)和γ-Proteobacteria(30.2%)为主,全部是革兰氏阴性杆菌且代谢类型多样化,多为好氧化能异养型,能利用有机盐无机盐类和多环芳烃等化合物来获取物质和能量,大部分为嗜酸或产酸型细菌。而上覆土壤细菌群落HS-S的优势菌种中Acidobacteria的比例增大,Proteobacteria的比例降低,且出现了石笋中所没有的门类Bacteroidetes,明显不同于石笋表面的群落结构。对两个群落进行全面的比较,由Dotur软件和LIBSHUFF、RDP等在线分析软件得出石笋表面的细菌群落多样性明显低于上覆土壤样品,两者同源性很低,基本可以判断为两个不同来源的群落。滴水中寡培养所得细菌均属于Proteobacteria且优势菌种属于γ-Proteobacteria,它们都可以在寡营养环境和黑暗环境中生长部分菌种可明显改变周边环境的pH值,在碳酸盐沉淀的过程中起到了改变微环境促进其沉淀的作用。结果暗示石笋表面的微生物少量来自上覆土壤群落通过多次群落演替所形成的细菌群落,而多数是洞内原生的微生物。因此喀斯特地区微生物生态系统对石笋气候信号的形成、保存乃至解释等都起到了重要作用。