湖泊水生高等植物残体分解转化的微生物学机制

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水生高等植物是浅水湖泊生态系统中主要的初级生产者,其生长和衰亡往往会导致湖泊沼泽化,对湖泊水环境质量及演化具有重要的影响。研究水生高等植物残体分解过程的微生物学机制,对于深入理解湖泊演化过程具有重要的理论意义。以细菌、真菌等为主的微生物则是主要的分解者,是湖泊生态系统中物质循环的主要驱动者,但是湖泊中水生高等植物残体生物质分解转化的微生物生态学过程与机制尚不明确。本研究通过原位模拟实验、室内受控实验和野外调查相结合,研究了不同水生高等植物残体有机质分解转化过程中的分解速率、物质组成和化学元素的变化;水生高等植物残体降解过程中参与的微生物在不同阶段的变化;水生高等植物残体降解过程中环境因子对微生物群落的影响,得出的结论如下:  (1)三种水生高等植物残体中,轮叶黑藻残体分解最快,而茭草残体分解最慢。水生高等植物残体分解速率的快慢则与植物中结构碳以及木质纤维素的含量有关。温度和营养水平的增高时可刺激植物残体分解的加速进行。  (2)植物残体的营养元素的含量表现出很显著的种间差异性。纤维素酶的活性在荇菜中最高,在茭草中最低;木聚糖酶在茭草和轮叶黑藻中的活性高于荇菜;多酚氧化酶在轮叶黑藻初始状态中活性最高,但在分解后期活性降低,而该酶在茭草和荇菜中的活性差异不大,且随着降解的发生变化很小;而在所有的植物残体中过氧化物的酶的活性都很低。纤维素和木质素的含量在茭草中最高,在荇菜中最低。而随着植物残体的进一步分解,叶片中纤维素和木质素的浓度随着时间的变化而升高。即随着分解时间,养分会逐渐减少,而纤维素和木质素均属于难分解的部分,其所占干重的比例在不断增加,在后期养分流失完才开始缓慢分解。  (3)通过高通量测序发现微生物群落结构在水生高等植物残体分解过程中的具体变化与水生高等植物之间的种间特异性并不明显,而随时间的变化较为明显。比较浮游细菌与参与植物残体分解的细菌时发现,浮游细菌的群落结构并未随时间的推移有显著变化,但其alpha多样性却较植物上的细菌高。细菌的alpha多样性均随植物残体分解时间的更迭呈上升变化,真菌则不然。从进化关系上来看,细菌群落结构尚能在分解初期受温度的影响,但到了分解后期主要还是同一时间段的样品关系较近;而真菌群落结构的在分解初期差异很小,随着分解的进行逐渐显现出差异,且差异也是随分解时间而体现出来的。  (4)参与水生高等植物残体分解的细菌的主要类群为变形菌、厚壁菌和拟杆菌。在分解过程中,变形菌的相对丰度逐渐下降,厚壁菌的相对丰度则呈先上升后下降的趋势,拟杆菌的相对丰度则在茭草和轮叶黑藻中呈先下降后上升的趋势,而在荇菜中丰度最高且呈先上升后下降的趋势。在不同温度和不同营养水平下,温度越高营养水平越高的变形菌相对丰度越低;而厚壁菌和拟杆菌在不同条件下的变化趋势因植物不同而各异。统计分析结果认为细菌群落结构的变化主要与水体的温度、营养水平以及植物残体的化学元素计量比有关。  (5)参与水生高等植物残体分解的真菌主要是隐真菌、壶菌、担子菌和子囊菌。隐真菌在水生高等植物初始样品中相对丰度很低,但在后续样品中有所增加;壶菌门的相对丰度在荇菜的初始样品中最高,随后即降低,而在其他两种植物的初始样品则很低,随后则上升;担子菌在初始样品中相对丰度很高,随着分解的进行丰度逐渐降低;子囊菌则随分解的进行其相对丰度呈先上升后下降的趋势。在不同温度和不同营养水平下,真菌各类群的相对丰度均因高等植物种类的不同产生不同的变化。统计分析结果认为真菌群落结构的变化同样与水体的温度、营养水平以及植物残体的化学元素计量比有关。
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