聚二甲基硅氧烷表面污损微生物膜群落分子生态学研究

作     者：潘雨声 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭长禄

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：海洋生物污损 污损早期微生物膜 微生物群落 高通量测序 

摘      要：海洋生物污损给我国海洋渔业、海上运输业等造成了难以估量经济损失,严重阻碍了我国海洋经济的发展。海洋防污涂料是当前海洋生物污损防控的重要手段之一。传统型海洋防污涂料在抑制污损的同时会给海洋生态环境造成严重破坏,因此环境友好型海洋防污材料的研发已经成为世界各国关注的焦点问题。聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)是一种性能优异的有机硅基体材料,具有低表面能、高疏水性、高弹性模量等诸多性能优点。但PDMS基体材料在实际海洋应用的过程中,仍会因表面微生物污损致其性能退化。在前期研究中,我们发现PDMS表面微生物膜的形成是导致其表面污损发生的重要原因之一,然而迄今PDMS表面微生物膜菌群结构特征与多样性特征以及微生物膜形成机制尚不明确。鉴于此,本研究运用第二代高通量测序技术对PDMS表面微生物膜菌群组成与多样性特征、分布特征以及动态变化规律进行解析,在分子水平揭示PDMS表面微生物膜菌群形成机制,明确PDMS表面污损发生的分子机制。本研究通过短期挂板实验,完成PDMS表面21天污损早期生物膜连续样本的采集工作与宏基因组抽提及定量工作。然后分别以16S r DNA、18S r DNA以及ITS等基因作为标记物,从微生物膜基因组中扩增16S r DNA(V3+V4)区、18S r DNA V4区和ITS-1区基因片段,来分别标记微生物膜中的原核菌群、真核菌群以及海洋真菌。基于Illumina测序平台,完成扩增子测序工作,并对相应的测序数据进行生物信息学分析,并初步探究了PDMS表面污损早期微生物膜原核菌群、真核菌群和真菌的优势菌门、优势菌纲以及优势菌属动态变化规律、更新速率以及多样性变化规律。本研究的具体研究结果如下:(1)通过对PDMS表面原核、真核和真菌菌群的高通量测序数据进行生物信息学分析群落组成和结构发现在PDMS表面污损早期生物膜原核菌群中,主要的优势门为:变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、Epsilonbacteraeota、厚壁菌门(Firmicutes);在PDMS表面污损早期生物膜真核菌群中,主要优势门为金藻门(Chrysophyceae)、褐藻门(Phaeophyceae)、Chordata门和链形藻门(Streptophyta);污损早期生物膜海洋真菌中的主要优势门为:子囊菌门(Ascomycota),担子菌门(Basidiomycota)。(2)通过样品复杂度分析和多样品比较分析发现在不同浸没周数生物膜样本中原核微生物菌群结构表现出明显差异,但随着浸没时间增加菌群结构相似度逐渐增加并趋于一致;不同浸没周数PDMS表面生物膜中真核菌群处于不断的动态演替过程中,但演替速度逐渐变慢。(3)通过环境因子关联分析发现,浸没时间、磷酸盐浓度对原核菌群、真核菌群分布相关性最大;而浸没时间、海水中NO浓度与海洋真菌分布相关性最大。(4)对污损早期生物膜的原核菌群、真核菌群和海洋真菌中的优势菌群的相对丰度变化规律及其优势菌之间的联系进行分析发现,各类群微生物中含量最高类群中排名前三名菌群交替更迭,其多样性参数处于不断动态变化之中。浸没两周后,优势菌属的变化幅度和趋势逐渐趋于一致,其原因可能是生物膜的脱落与更新所致。上述研究结果对于理解微生物膜形成机制、揭示PDMS表面污损发生的分子机理,明确PDMS与微生物互作的分子机制具有重要意义。