一种基于微生物群落的海洋生态健康评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微生物群落的生态健康评价方法，特点是包括以下步骤：（1）采样分析水质和微生物；（2）计算水质指标与微生物相对丰度的相关系数；（3）筛选与特定水质指标相关的执行相反功能的微生物类群；（4）建立相关微生物类群的总相对丰度与特定水质指标的联系；（5）以所有样本的某一水质指标的值为x轴，以

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于海洋生态环境保护领域，尤其是涉及一种基于微生物群落的海洋生态健康评价方法。
技术介绍
生态健康是指生态系统保持其自然属性、维持生物多样性和关键生态过程稳定并持续发挥其服务功能的能力。国家海洋局发布的《近岸海洋生态健康评价指南》将近岸海洋生态系统区分为珊瑚礁、海草床、红树林、河口与海湾等生态系统类型。其基本方法是:对各种生态系统类型，调查其各类水环境指标、栖息地指标、生物指标、生物毒性指标；按一定的规则人为地分别对这些指标进行赋值；(3)将所有指标的赋值相加并求均值，以该均值作为生态健康指数；(4)预先将生态健康级别分为3级，即健康，亚健康和不健康，并规定各级别的生态健康指数范围(即评价标准)；(5)当评价对象的生态健康指数值落入某级别的标准范围值时，该评价对象即属于该健康级别。这种评价方法的优点在于:(1)区分不同类型生态系统，对不同系统规定不同的指标与标准，有利于突出不同系统的根本特征；(2)调查指标全面，可较为全面地反映系统状态。但其缺陷是:(1)评价所需涉及的指标太多，而实际上很多指标难以获得，或者成本太大；(2)其评价标准是在默认所有指标都能获得的情况下制定的，因此当缺少某些指标时，则套用原有的评价标准明显是不合适的；(3)各指标的赋值以及评价标准值都是人为给定的，其取值是否合适没有客观依据。这些问题的存在，使得海洋生态系统健康评价业务开展困难，其可靠性也广受质疑。我们认为:(I)微生物既是生态系统中的分解者，又是生产者和消费者，处于食物链的最低端，在生态系统中占有非常重要的地位。微生物结构和功能的变化可反映生态系统的最基本的特征，即可以用微生物群落结构和功能的变化来评价系统生态状态的变化；(2)水体生态健康实质是各类微生物功能的平衡，水体生态系统中，污染物的去除主要是微生物作用的结果，执行各类功能的微生物之间的平衡是生态系统维持平衡与健康的根本保证；(3)对某类微生物而言，水质极好或极差分别对应于两个极端，两极端之间应该存在一个水质条件，使得该类微生物丰度在此处最大并向两极逐步下降或趋平；(4)微生物相对丰度与环境因子密切相关，可通过筛选相关性较强的微生物类群作为特定环境因子或特定污染负荷的指示微生物；(5)不同海域、不同生态系统类型以及不同的时间条件下，生态系统的状态特别是用以表征生态系统健康状态的微生物也有较大差异。此外我们的研宄发现，对某一环境因子或总的污染负荷，均存在与该因子或污染负荷关联密切的微生物类群。这些类群可大致分为两种类型:一是与其呈正相关的类群，二是呈负相关的类群；可以分别理解为执行相反功能的微生物类群；正相关的微生物，其丰度随污染物浓度增加而增加，但增加到某一阈值时不再增加，或者反而下降；负相关的微生物，其丰度随污染物浓度增加而减少，但减少到某一阈值时不再下降，或者反而增加，符合生态学中的中位理论和耐受性定律。因此，可以通过监测微生物群落的变化来评价水体生态系统的健康状态。分子生物学技术的飞速发展，使得通过采用高通量测序或基因芯片等技术手段实现水体中微生物的快速监测成为可能，从而可以通过监测微生物的变化实现水体生态系统健康评价。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种根据海洋水体或沉积物中微生物群落的变化来实现海洋生态健康评价的方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为: ，包括以下步骤: (1)采样分析水质和微生物 在一定的评价区域内，根据地域空间或污染物浓度梯度设置个采样点的样本i，i=l, 2...，η,在每个采样点采集水样和/或沉积物样品；对所有样本分析§■个水质指标j,户1，2，…，&获得每个样本的水质指标Jl的值每个样本通过高通量测序、基因芯片或高通量定量PCR方法测序得出》种微生物k, 2，…，m,计算每个样本中每一种微生物的相对丰度Λι;其中某一种微生物的相对丰度为某个样本中某一种微生物的个数占该样本中所有微生物个数的百分比； (2)计算水质指标与微生物相对丰度的相关系数 将所有样本的水质指标Jl的值与相应样本的《种微生物的相对丰度进行相关分析，获得所有样本的水质指标J与相应样本的《种微生物的相关系数^>及其显著性指数P值?；; (3)筛选与特定水质指标相关的微生物类群 设定某一显著性指数/7值标准从/y中找出小于和等于&的微生物种类，即为与相应水质指标J相关的微生物类群；设筛选出有a种微生物与该水质指标J呈正相关，有待中微生物与该水质指标J呈负相关；定义a种正相关微生物及待巾负相关微生物为执行相反功能的微生物类群； (4)建立相关微生物类群的总相对丰度与特定水质指标的联系 对每一样本i，计算所有与某一水质指标J呈正相关的a种微生物的相对丰度之和Sija,以及呈负相关的6种微生物的相对丰度之和以所有样本该水质指标Jl的值轴，以5；73和为y轴作图，建立正负两类功能微生物类群的总相对丰度随水质指标Jl的变化图； (5)划分生态健康状态区间并确定评价标准 以所有样本的某一水质指标Jl的值轴，以轴作图，5；73-5^图出现类似于逻辑斯缔(Logistic)增长曲线的S形曲线；当差值Sija-Sijb=Qi时和Sija-SijlZf再增加时，该S形曲线出现相应的两个拐点，两个拐点分别对应的水质指标的值即可作为评价标准；即以差值Sija-Sijb式时的水质指标的值作为功能平衡点E1,以差值不再增加时的水质指标的值作为环境容量点尽;当某一采样点的水质指标Jl的值^7为0 E1,则该采样点区域评判为生态健康；当某一采样点的水质指标Jl的值&为Et< Xij^尽，则该采样点区域评判为亚健康；当某一采样点的水质指标Jl的值^7为E2< Zi7，则该采样点区域评判为不健康。与现有技术相比，本专利技术的优点在于:根据海洋水体或沉积物中微生物群落变化来评价海洋生态健康，从微生物生态角度客观地评价海域生态健康状态，并可为海域环境容量计算提供客观定量标准；方法简单快捷，客观准确，环境生态学意义明确。【附图说明】图1为本专利技术正负两类功能微生物类群的总丰度随水质指标的变化图； 图2为本专利技术正负两类功能微生物类群的总丰度的差异随水质指标的变化图。【具体实施方式】以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。具体实施例2013年8月，在宁波海域分别设置98个采样点，采集水样、沉积物样进行化学分析，并对样品经过滤、DNA提取、当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微生物群落的生态健康评价方法，其特征在于包括以下步骤：（1）采样分析水质和微生物在一定的评价区域内，根据地域空间或污染物浓度梯度设置n个采样点的样本i，i=1,2…,n，在每个采样点采集水样和/或沉积物样品；对所有样本分析g 个水质指标j，j=1,2,…,g，获得每个样本的水质指标j的值xij；每个样本通过高通量测序、基因芯片或高通量定量PCR方法测序得出m种微生物k，k=1,2,…,m，计算每个样本中每一种微生物的相对丰度yik；其中某一种微生物的相对丰度为某个样本中某一种微生物的个数占该样本中所有微生物个数的百分比；（2）计算水质指标与微生物相对丰度的相关系数将所有样本的水质指标j的值xij与相应样本的m种微生物的相对丰度yik进行相关分析，获得所有样本的水质指标j与相应样本的m种微生物的相关系数rjk及其显著性指数p值pjk;；（3）筛选与特定水质指标相关的微生物类群设定某一显著性指数p值标准ps，从pjk中找出小于和等于ps的微生物种类，即为与相应水质指标j相关的微生物类群；设筛选出有a种微生物与该水质指标j呈正相关，有b种微生物与该水质指标j呈负相关；定义a种正相关微生物及b种负相关微生物为执行相反功能的微生物类群；（4）建立相关微生物类群的总相对丰度与特定水质指标的联系对每一样本i，计算所有与某一水质指标j呈正相关的a种微生物的相对丰度之和Sija,以及呈负相关的b种微生物的相对丰度之和Sijb；以所有样本该水质指标j的值xij为x轴，以Sija和Sijb为y轴作图，建立正负两类功能微生物类群的总相对丰度随水质指标j的变化图；   （5）划分生态健康状态区间并确定评价标准以所有样本的某一水质指标j的值xij为x轴，以Sija‑Sijb为y轴作图，xij和Sija‑Sijb图出现类似于逻辑斯缔增长曲线的S形曲线；当差值Sija‑Sijb=0时和Sija‑Sijb不再增加时，该S形曲线出现相应的两个拐点，两个拐点分别对应的水质指标的值即可作为评价标准；即以差值Sija‑Sijb=0时的水质指标的值作为功能平衡点E1，以差值Sija‑Sijb不再增加时的水质指标的值作为环境容量点E2；当某一采样点的水质指标j的值xij为xij≤E1，则该采样点区域评判为生态健康；当某一采样点的水质指标j的值xij为E1﹤xij≤E2，则该采样点区域评判为亚健康；当某一采样点的水质指标j的值xij为E2﹤xij2，则该采样点区域评判为不健康。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张德民，朱建林，王凯，李建峰，陈和平，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33