流式细胞术快速测定浅水湖泊异养细菌生态学参数及应用

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异养细菌是湖泊微食物网的重要组成部分。它既是湖泊中主要的分解者,分解有机物释放无机营养盐及能量;又是生产者,将可溶性有机物转化为颗粒有机物进行二次生产。研究异养细菌的生态学参数有助于深入认识细菌在水生态系统中的作用。在海洋生态系统中,流式细胞术能快速测定水体中的异养细菌。但在湖泊水体中则鲜见应用,特别是浅水富营养化湖泊。主要原因是浅水湖泊中存在大量的悬浮颗粒物质,由于这些悬浮颗粒物质可与荧光染料相结合,造成染料识别的灵敏度降低,从而导致流式分析难度极大。  本研究克服了湖泊中存在大量悬浮颗粒物的问题,建立了一整套采用流式细胞术测定浅水湖泊水体中异养细菌生态学参数的方法,并对此方法进行了有效评估;基于上述方法体系,研究了太湖不同营养水平、水动力扰动和蓝藻水华生消过程中异养细菌生态学参数的变化特征及其与环境因子之间的相关关系,揭示了大型浅水富营养化湖泊——太湖中异养细菌丰度、细胞大小及活性细菌丰度的时空变化规律。  论文的主要研究结论概述如下:  1.利用流式细胞术建立了一种快速、准确测定浅水富营养化湖泊中异养细菌丰度的方法。首先将样品固定、超声、过滤、SYBR GreenⅠ染色,然后通过流式细胞仪来检测异养细菌,采集前向和侧向散射光、SYBR GreenⅠ绿色荧光信号、自养浮游生物的叶绿素a红色荧光信号,并运用其中的SYBRGreenⅠ绿色荧光信号来设置域值。利用前向与侧向散射光的不同,排除其它微型浮游生物对细菌检测的影响,并依据SYBR GreenⅠ绿色荧光信号的强弱,将浮游生物与非生物颗粒、细胞碎屑区分开,最后根据自养浮游生物的叶绿素a红色荧光信号的强弱,将细菌与浮游藻类区分开来,从而获得异养细菌的准确数量。该方法省时省力,可应用于大规模的生态学调查,同时增加了细菌计数的精确度及准确性。将此方法与目前常用的荧光显微镜计数法进行比较,结果表明流式细胞术的方法与荧光显微镜计数法具有较好的一致性。  2.通过流式细胞术建立了一种快速、准确测定浅水富营养化湖泊中异养细菌细胞大小的方法。根据流式细胞仪上的前向散射光FSC表征细胞大小这一特性,选取不同规格标准粒径荧光微球,建立细胞粒径与FSC的回归方程,通过测定样品中异养细菌的FSC值,换算成样品中异养细菌的细胞大小。同时,采用已知大小的荧光微球对此方法的测定结果进行评估,结果显示:荧光微球的理论值和实测值无显著差异,流式细胞术可用于水体中异养细菌细胞大小的测定。  3.太湖不同营养水平湖区中异养细菌的丰度、细胞大小、活性细菌丰度存在显著差异。空间上,富营养化湖区中异养细菌和活性细菌丰度显著高于中营养化湖区,但富营养化湖区中异养细菌的细胞却显著小于中营养化湖区。时间上,夏季异养细菌和活性细菌丰度显著高于其他季节,但异养细菌的细胞却极其显著地小于其他季节。分析显示:水温、悬浮物浓度、叶绿素a浓度和溶解性有机碳浓度是影响异养细菌丰度的四个关键环境因子,总偏差解释率为77.5%,表明浅水富营养化湖泊中异养细菌的丰度与季节演替、沉积物再悬浮及藻类生物量密切相关。水体中总磷、溶解性总磷、硝酸盐和亚硝酸盐等营养盐的浓度与细菌的细胞大小呈现出显著的负相关,推测随着水体富营养化,细菌趋于小型化。水温、叶绿素a浓度、溶解性总磷和硝酸盐浓度则是显著影响活性细菌丰度的四个关键环境因子,总偏差解释率为71%,预示着温度、营养盐和浮游植物在调控活性细菌丰度过程中发挥着重要作用。  4.2015年7月9日-14日,选取一次完整的台风过程(台风“灿鸿”),在太湖野外原位收集台风过程中的表层和底层水样,采用流式细胞术对异养细菌的丰度、细胞大小、活性细菌丰度等参数进行测定,结果表明;1)强烈的风浪扰动显著增加了表层和底层水体中异养细菌的丰度;2)底层水体中异养细菌的细胞显著大于表层水体,强烈的水动力扰动导致底层和表层水体间的异养细菌细胞大小差异消失;台风过后底层水体中异养细菌的细胞大小并没有恢复到台风前的水平,可能短时间内无法彻底恢复;3)强烈的水动力扰动还会增加表层和底层水体中活性细菌的丰度。台风过后水体中蓝藻水华暴发,导致水体中活性细菌丰度急剧增加,表明蓝藻水华过程对活性细菌丰度的影响要远大于短期的水动力扰动作用。此外,水动力扰动过程中活性细菌丰度的变化范围要远大于总细菌丰度的变化范围,表明有活性正在行使生物学功能的细菌对环境变化的响应更加敏感快速。  5.2015年9月10日-23日,选取一次完整的蓝藻水华暴发及分解过程,在太湖野外原位收集水华过程中的表层水样,研究了此过程中细菌生态学参数的变化规律,结果表明:1)在蓝藻水华暴发阶段,水华的堆积大幅度增加了水体中叶绿素和营养盐的浓度,导致水体中异养细菌和活性细菌丰度增加,但异养细菌丰度的增加滞后于藻类生物量。2)在蓝藻水华分解过程中随着叶绿素浓度的降低异养细菌丰度快速减少,细胞迅速变大,活性细菌丰度减少。溶解性总磷是细菌丰度最重要的决定因子,推测磷在蓝藻水华分解过程中调控着细菌的生长。
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