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淡水及海洋污染和全球气候变暖正严重威胁着人类的发展。为进一步了解海洋污染导致的近海赤潮问题，从海洋环境中与藻类生长和代谢紧密联系的细菌出发，探究赤潮环境下细菌群落结构及其基因分布规律与菌-藻互作特点变化;全球变暖促进微生物对永久冻土储存的大量有机碳分解，释放CO2进一步加剧全球变暖，从冻土中限制微生物分解作用的氮着手，探究冻土融化对固氮微生物群落结构的影响以及对全球变暖的反馈作用。
厦门海域是赤潮频发区域，近几年连续爆发以血红哈卡藻为主的赤潮。本论文以厦门海域细菌群落结构及其变化特征为主要研究目标，利用PCR-DGGE、16S rDNA基因克隆文库、illumina高通量测序以及功能基因芯片等技术，对厦门海域以及赤潮生消过程中的环境因子、藻类以及细菌群落和微生物功能基因动力学进行了研究;另外，对美国阿拉斯加永久冻土中的nifH基因进行了454测序分析，以了解固氮微生物对永久冻土消融的响应。主要研究结果如下:
(1)研究了厦门海域的环境因子、藻类以及优势细菌的季节特征，结果表明九龙江的汇入以及海水养殖是影响厦门海域营养盐含量、藻类以及细菌群落的重要因素;各项环境因子在不同季节差异较大;最优势藻都是骨条藻，且在冬季密度最大;厦门海域细菌多样性高，并且未知细菌比例大;Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria是厦门海域的优势细菌;黏附型和游离型细菌多样性在冬季显著高于夏季和秋季;黏附型和游离型细菌多样性在同一季节内相近，两者的结构差异情况在不同季节有所不同;细菌群落结构主要受海域地理位置以及相应环境条件影响，相似环境条件下的细菌群落结构也极其相似。
(2)探讨了血红哈卡藻赤潮生消过程中的细菌群落演替规律。结果表明，2010年5月的血红哈卡藻(Akashiwo sanguinea)赤潮主要是由低盐度(26-30‰)刺激而爆发，结束于无机营养盐消耗导致的N/P不适于赤潮的维持。Gammaproteobacteria细菌丰度在赤潮消亡过程中显著增加，并在赤潮结束后减少，它们在此次赤潮过程中有重要的调控作用;Prochlorococcus，Candidatus Pelagibacter，Alteromonas，Pseudoalteromonas,Rhodobacteraceae(Sulfitobacter donghicola和Sediminimonasqiaohouensis)和Vibrio等菌主导了赤潮过程中细菌群落结构的改变;另外，首次发现了与血红哈卡藻显著负相关的细菌S.qiaohouensis，这也说明了它对本次赤潮起到重要的调控作用。
(3)将illumina测序技术应用到赤潮生消相关的浮游微生物研究中。Illumina高通量测序共获得658446条细菌序列，虽然覆盖多个门类，但测序远未达到饱和;其中，Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria为绝对优势细菌;2011年夏季A.sanguinea赤潮主要是受低盐度(24‰）刺激而发生;赤潮使浮游细菌数量急剧增加显著改变其群落结构并提高物种均匀度，但并未明显改变细菌多样性;赤潮主要刺激了一些善于利用藻体产生的有机物质的细菌生长和繁殖，如SAR86和SAR116、OCS155 marine group等;同时，也对少部分细菌生长产生了抑制作用。
(4)将功能基因芯片技术应用到赤潮生消相关的浮游微生物功能研究中，结果表明，厦门海域的浮游微生物功能基因丰富，蕴含着功能多样的微生物资源;赤潮的发生显著改变了它们的多样性、种类均匀度等结构特征;赤潮藻密度达到一定程度后，会显著提高功能基因多样性并显著降低其种类均匀度，增加碳循环、氮循环、真菌功能、病毒等相关功能基因，尤其是促进了氮元素从海洋系统向大气的转运过程。
(5)采用454测序技术分析了永久冻土消融下的固氮微生物结构变化，并且是目前为止对固氮微生物多样性最全面和深入的探究。结果表明，永久冻土的融化并没有显著改变整体固氮微生物的群落结构。随着冻土融化程度增加，与土壤高含水饱和度及其导致的低氧化还原水平密切相关的微生物种类相对丰度有较大幅度的增加。具体表现为冻土区域融化程度的增加会极大增加冰冻线以上土层中固氮微生物物种丰富度，并减少冰冻线以下的固氮微生物物种丰富度;土壤冰冻线深度是推动固氮微生物群落变化的最重要因素，冰冻线以上土层中主要固氮微生物类群为α-和β-proteobacteria，冰冻线以下的主要为δ-和γ-proteobacteria。