第一章 前言

1 海洋微生物與生物地球化學(xué)循環(huán)
微生物生態(tài)學(xué)是對微生物個體、群體以及它們之間的相互作用進行研究的一門學(xué)科。微生物是地球上最小的生物（不包括病毒），它們生活在地球上的各個角落，包括極地、熱液口和深海等極端環(huán)境[1]。微生物在環(huán)境改善、工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用。對微生物生態(tài)進行研究有助于進一步提高人類現(xiàn)有的生活水平。海洋作為生命的搖籃，其總面積約占地球總表面積的 71%。在自然因素以及人為作用的雙重影響下，不同海域具有了復(fù)雜多樣的環(huán)境，表現(xiàn)為各種理化因子（如 pH、溫度、鹽度和溶解氧等）在不同海域呈現(xiàn)出多樣化，為不同海洋生物的生存提供了復(fù)雜多變的條件，進而形成了復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)。如此浩瀚的海洋同時為微生物提供了廣闊的生存空間，它們分布于從近海到遠海、表層到底層、極地海冰到深海熱液口等各種不同的生境當(dāng)中。此外，海洋微生物為適應(yīng)壓力、鹽度、溫度和營養(yǎng)等不同環(huán)境條件[2]進化出了不同的生理生化特性，蘊藏著大量具有潛在利用價值的新型基因和生物活性物質(zhì)[3]。因此，對海洋微生物資源的開發(fā)利用具有十分重要的工業(yè)價值。作為海洋生物的重要組成部分，海洋微生物既是生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者又是消費者，在食物鏈傳遞和生源要素循環(huán)等過程中起到了至關(guān)重要的作用。微生物幾乎能參與海洋中所有的生物化學(xué)反應(yīng)，在生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要的角色[1]，而了解海洋環(huán)境中的微生物群落結(jié)構(gòu)及其它們的分布模式是弄清微生物所發(fā)揮生態(tài)功能的前提。海洋微生物具有數(shù)量多、分布廣、多樣性高、不易培養(yǎng)等特點。目前，僅有不多于 1%的海洋微生物能被培養(yǎng)[4]。在這樣的背景下，基于分子生物學(xué)技術(shù)的非培養(yǎng)方法得到廣泛應(yīng)用。
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1.2 微生物介導(dǎo)的地球化學(xué)反應(yīng)過程
浮游植物和光合自養(yǎng)微生物將大氣中的二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化為有機碳是海洋碳循環(huán)的起點，而藍細菌作為浮游生物的重要組成部分，是初級生產(chǎn)力的主要貢獻者。這些光合作用生成的有機質(zhì)形成了巨大的海洋有機碳庫，其主要以兩種形式存在：溶解有機質(zhì)（DOM）和顆粒有機質(zhì)（POM）。其中，DOM 依據(jù)其可利用性可分為易降解（labile）、不易被利用（semilabile）和惰性（refractory）DOM三類[1]；依據(jù)其分子量又可分為高分子量（HMW）和低分子量（LMW）DOM兩類，而高分子量 DOM 具有更高的反應(yīng)活性[6]。在海洋真光層中，一部分易降解DOM會通過浮游生物的呼吸作用和異養(yǎng)微生物的分解作用轉(zhuǎn)化為CO2而重新回到大氣中，一部分還會以 POM 的形式通過“生物泵”作用被輸送到海底。POM上附著大量的異養(yǎng)細菌，其豐度是周圍海水的 102-104倍[7]。在 POM 的垂直輸送過程中，其附著細菌會分泌大量的胞外酶并在 POM 的轉(zhuǎn)化與降解過程中發(fā)揮重要作用。細菌降解 POM 所生成的 DOM 大部分被釋放到周圍海水中，是支持深海自由生微生物生產(chǎn)的主要物質(zhì)來源。此外，海洋微生物還能通過“微型生物碳泵”過程將易降解 DOM 轉(zhuǎn)化為惰性 DOM，這些惰性 DOM 占海洋中總 DOM 的95%，并且主要以低分子量的形式存在，具有很低的反應(yīng)活性，因此被長期儲存在海洋中[8]。在各種溫室氣體不斷排放，全球氣候變暖的大背景下，增強海洋碳匯刻不容緩。對“微型生物碳泵”過程進行干預(yù)，就可能增大惰性 DOM 的轉(zhuǎn)化率，進而增加海底碳埋藏量。
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第二章 溶解氧和營養(yǎng)鹽依賴的珠江口浮游微生物群落分布特征

1.1概述
作為海洋與淡水交接的緩沖帶，河口區(qū)域存在包括鹽度、營養(yǎng)等環(huán)境因素在內(nèi)的各種天然梯度，成為研究微生物多樣性及其對環(huán)境響應(yīng)的理想生境。對于河口門、綱水平上的細菌群落結(jié)構(gòu)已有諸多報道，它們的研究結(jié)果表明淡水與海水環(huán)境中的細菌群落組成具有顯著的差別[44, 67]。然而，這些研究大部分使用的是傳統(tǒng)的克隆文庫、指紋圖譜或 FISH 技術(shù)，它們所能提供的信息有限。另一方面，對于河口尤其是水深較淺河口的微生物群落的垂直分布模式還了解較少[68, 69]。此外，相比于細菌群落結(jié)構(gòu)，對于河口環(huán)境的古菌群落組成特征罕有報道[70, 71]。鹽度是影響細菌群落結(jié)構(gòu)的最主要因素之一，其影響甚至超過了溫度、pH等其它因素[72]。近年來隨著工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，人口更加密集化，各種污染物、營養(yǎng)物的排放對河口環(huán)境造成了極大的影響，使河口上下游底層水體出現(xiàn)了嚴重的缺氧[43, 73-75]。溶解氧對淡水及海水中的微生物群落分布具有非常顯著的影響[76-78]。此外，各種營養(yǎng)元素的比例是限制水生微生物生長的重要因素，因此營養(yǎng)梯度對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響也至關(guān)重要[79]。然而，對于河口特別是淡水缺氧以及營養(yǎng)鹽對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響了解尚淺。
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1.2 樣品采集
珠江口科研調(diào)查航次于 2012 年 7 月 16 日至 8 月 12 日搭乘天龍?zhí)柨瓶即瑘?zhí)行。水樣使用 SEALOGGER 溫鹽深剖面儀沿珠江口虎門上游淡水區(qū)域及下游咸水區(qū)域進行采集。表、底層水樣分別采自水體 1 米深和高于底層 1-2 米。本研究共采集 8 個站位樣品，包括 3 個淡水站位（P01、P03 和 P07）以及 5 個咸水站位（C2、C3、A08、F412 和 F414）。站位 C2、C3 和 A08 位于中鹽度區(qū)域而 F412和 F414 站位位于高鹽度區(qū)域（圖 2-1 和表 2-3）。水體鹽度、溫度、濁度和深度等數(shù)據(jù)由 SEALOGGER 溫鹽深剖面儀進行測量。用 0.45 μm 的醋酸纖維素膜過濾水樣用于氮、磷營養(yǎng)鹽（NO2-、NO3-、NH4+和 PO43-）的測定。營養(yǎng)鹽由廈門大學(xué)戴民漢教授組使用分光光度法和比色法進行測量[81, 82]。
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第三章 珠江口沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)特征及其環(huán)境響應(yīng).........49
1 材料與方法 ..... 49
2 實驗結(jié)果......... 51
3 討論..... 60
3.1 珠江口沉積物微生物群落的多樣性指數(shù)...... 60
3.2 環(huán)境因素與珠江口沉積物微生物群落變化的相關(guān)性..... 61
3.3 珠江口沉積物微生物群落的分布模式.... 62
第四章 中國北部邊緣海沉積物的微生物生物地理學(xué)分布.........64
1 材料與方法 ..... 64
2 實驗結(jié)果......... 68
3 討論..... 77
第五章 近海沉積物微生物群落共存模式探索 ....82
1 材料與方法 ..... 82
2 實驗結(jié)果......... 83
2.1 細菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)系 ...... 83
2.2 細菌功能類群網(wǎng)絡(luò)關(guān)系......... 84
2.3 古菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)系 ...... 85
3 討論..... 86

第五章 近海沉積物微生物群落共存模式探索

近年來，高通量測序技術(shù)的飛速發(fā)展使人們對不同環(huán)境中復(fù)雜的微生物群落有了嶄新的認識[5]。高通量測序技術(shù)的應(yīng)用極大地擴展了現(xiàn)有的微生物基因序列信息。將高通量測序數(shù)據(jù)通過各種生物信息學(xué)、統(tǒng)計學(xué)工具進行分析，便可清晰描述生境中的微生物多樣性、微生物群落組成甚至對不同生境中的微生物群落進行比較[72, 108]。通過測量生境中各種不同的生物或非生物因素，分析微生物群落或個體與環(huán)境因子之間的相關(guān)性，可揭示微生物群落的分布模式[72, 108]。然而，這樣的研究僅僅著眼于群落的單一性質(zhì)，它們能分析微生物群落時間或空間上的變異性，卻忽視了在生境中共存的微生物個體之間直接或間接的相互作用。對微生物共存模式的研究有助于理解微生物之間的功能關(guān)聯(lián)以及微生物的分布范圍[178]，進而為微生物的分離培養(yǎng)提供理論基礎(chǔ)�；谙嚓P(guān)的網(wǎng)絡(luò)分析已被廣泛應(yīng)用于包括社交、計算、生物科學(xué)等在內(nèi)的各個領(lǐng)域，它能夠探索復(fù)雜系統(tǒng)中各個實體之間的相關(guān)性[179]。一般說來，，繪制的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖包括一系列點和邊（點與點之間的連線），其中包含著重要的統(tǒng)計信息和結(jié)構(gòu)特征。對這些信息進行系統(tǒng)分析，得以理解生態(tài)系統(tǒng)中群落組成與功能相互聯(lián)系的潛在規(guī)則。

總結(jié)

在全球氣候變化的大背景下，海洋中各種生源要素的循環(huán)受到越來越多的關(guān)注，微生物作為生物地球化學(xué)循環(huán)的主要執(zhí)行者，在調(diào)節(jié)氣候變化、改善生態(tài)環(huán)境的過程中起著至關(guān)重要的作用。微生物的多樣性、地理分布模式及其對環(huán)境變化的響應(yīng)是理解微生物所發(fā)揮生態(tài)功能的基本前提。本論文對我國近海包括渤海、北黃海、南黃海、東海北部和珠江口區(qū)域以及遠洋即南太平洋環(huán)流區(qū)的微生物群落結(jié)構(gòu)進行了分析和比較，并探討了不同海區(qū)微生物群落變化的主要影響因素，對理解全球范圍內(nèi)微生物群落的分布模式有重要的意義。在此基礎(chǔ)上，探索了我國近海沉積物中復(fù)雜微生物種屬之間的相互作用模式，為進一步理解微生物所介導(dǎo)的生物地球化學(xué)反應(yīng)提供理論基礎(chǔ)。使用 454-焦磷酸測序和流式細胞術(shù)分析珠江口水體的微生物群落組成，發(fā)現(xiàn)無論對于細菌還是古菌，淡水區(qū)域表底層水樣品的微生物群落無明顯區(qū)別，且均與咸水區(qū)域表層水和咸水區(qū)域底層水樣品構(gòu)成獨立的三簇。細菌 β-變形菌綱、奇古菌 MG-I 類群是淡水區(qū)域的優(yōu)勢類群，而聚球藻屬（藍細菌門）和 SAR11（α-變形菌綱）、海洋螺菌目（γ-變形菌綱）分別占據(jù)咸水區(qū)域的表底層水。MG-I 類群在咸水區(qū)域表底層水中均有分布，但其豐度低于淡水區(qū)域。對 MG-I 不同類群進行系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建，發(fā)現(xiàn)了一個新的分支（MG-I ν）。MG-I α II-1 和 MG-I λ II是淡水區(qū)域的兩個優(yōu)勢亞類群。不同 MG-I 亞類群的棲息地偏好性對于理解該類群的進化關(guān)系具有重要的指導(dǎo)意義。廣古菌門 MG-II 類群在咸水區(qū)域占據(jù)明顯優(yōu)勢，且其所屬不同類群在表底層水中具有差異分布。
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參考文獻（略）