微囊藻水华衰亡过程中微囊藻的生理特点及其附生菌群组成的变化

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微囊藻是一类能够在温带富营养化湖泊中,每年周而复始的普遍发生并形成水华的蓝藻。微囊藻水华一般是在夏季发生,秋冬季节进入衰亡和越冬期,在春季复苏。水华衰亡阶段的微囊藻对微囊藻的下沉越冬和复苏起着提供藻源的作用,对来年水华发生具有重要的影响。然而关于水华的衰亡阶段的微囊藻的状态仍然未知。在水华的衰亡阶段,随着温度的逐渐降低,仍然漂浮的微囊藻群体是否仍然具有生理活性,对温度的逐渐降低做出了怎样的响应,与微囊藻具有密切关系的附生细菌又有怎样的变化,本报告针对这一科学问题进行了初步的研究。  研究结果表明:  1.在微囊藻水华的衰亡阶段(采样时间从2009年10月到2010年1月),温度由20℃左右下降到4℃左右的过程中,微囊藻存在由惠氏微囊藻和铜绿微囊藻向水华微囊藻和铜绿微囊藻的演替,微囊藻群体酯酶活性下降并维持在较低水平,但在水华微囊藻出现的12月21日,酯酶活性出现一个峰值。Pearson相关分析表明酯酶活性与水华微囊藻所占的比例有显著性相关关系(p<0.01)。在室内相同培养条件下研究不同微囊藻种在不同温度下的酯酶活性变化,结果表明不同微囊藻种在不同生长温度下具有不同的酯酶活性水平。水华衰亡过程中,微囊藻群体的光合活性变化趋势与酯酶活性类似,微囊藻群体的超氧化物歧化酶活性先升高后下降并维持在82.3±17U/mg蛋白以上,仍然漂浮的微囊藻群体的细胞存活率较高,普遍大于75%。大于180μm与100-180μm和50-180μm的微囊藻群体相比,小群体具有更高的代谢活性。说明水华衰亡阶段的微囊藻仍然存在演替,代谢活性受到优势藻种的影响,微囊藻通过降低光合效率和代谢活性,保持抗氧化活性来抵抗低温,从而保持细胞存活率。  2.维系微囊藻群体结构的胶鞘是微囊藻水华维持优势的重要原因之一。为了探讨微囊藻水华的衰亡机理,本文对太湖梅梁湾水华衰亡过程中的微囊藻群体胶鞘的变化进行了能谱扫描电镜(SEM-EDS)观察和元素组成分析,同时对单位细胞的胞外多糖含量变化进行了比较,并对微囊藻群体大小的组成做了统计。结果表明,在水华衰亡过程中,随着温度的降低,100-180μm的微囊藻小群体表现出增多的趋势,而大于180μm的大群体逐渐减少。扫描电镜观察发现随着微囊藻水华的衰亡,大部分的微囊藻群体的胶鞘表面出现裂解,藻细胞外翻散落,单位细胞的多糖的产量总体呈现下降的趋势,这也许是导致微囊藻群体变小的原因之一。群体表面的元素组成分析显示,胶鞘表面的元素除大量的C和O外,Na,P,S,Si,Ca和Al为主要的组成元素。Na和P元素的百分含量呈下降的趋势,S元素和Al元素的百分含量上下浮动,而Si和Ca元素的百分含量呈增加的趋势。说明了水华衰亡期间,微囊藻群体的胶鞘发生的变化可能是导致微囊藻的衰亡的主要原因之一。  3.对水华衰亡过程中微囊藻附生菌菌群结构和组成进行了探讨(从2009年10月13日到2010年1月27日)。荧光定量PCR的结果显示,当温度下降时,附生于微囊藻的细菌与微囊藻细胞的基因拷贝数比率呈下降趋势。变性梯度凝胶电泳则揭示了附生菌群的结构变化,聚类分析结果显示采样时间相邻的微囊藻群体的附生菌聚在一起,相似度更高。选取四个具有代表性的样品构建克隆库,测序结果表明每个库可分别划分成为5,12,6,12个分类单元,大多数分类单元都属于γ变形菌纲,α变形菌纲和拟杆菌门。主要的细菌种类从Aeromonassp.(气单胞菌属,某些种具有致病性)向能够Shewanellasp.(希瓦氏菌,某些能够矿化大多数有机物质)转变,但是两种菌在衰亡阶段一直附生于微囊藻。本文揭示了在微囊藻水华衰亡过程中微囊藻群体附生菌的减少,以及气单胞菌和希瓦氏菌两类不同于水华旺季的附生菌种附生于微囊藻群体。  4.采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)方法对衰亡期(冬季)和水华旺季(夏季)的微囊藻附生菌,游离细菌以及其他颗粒附生菌做了比较分析。结果表明:不同时期,不同栖息处的菌群组成结构不同。尤其是微囊藻群体附生菌,相比其他两种菌群,Shannon多样性指数和物种丰富度都较低,聚类分析结果显示,微囊藻群体附生菌与其他两种类型的菌群明显分开,但是夏季的微囊藻附生菌群与冬季的微囊藻附生菌相互分开,说明衰亡期的漂浮的微囊藻附生菌组成受到环境温度的影响,同时也具有一定的特异性。
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