法医科学：压力和扰动对土壤群落的影响/简介
有壳变形虫、thecamoebians 或 testaceans 是一个多系类群的单细胞变形虫原生生物。在目前的分类学中，有壳变形虫被归类为变形虫原生动物中的一个类群，包括Lobosea 类和Filosea 类，属于根足虫超纲。[1]
它们存在于世界各地许多生境中，例如苔藓、土壤、泥炭地、湖泊、河流和河口环境。[2] 在土壤中，解释其丰度和群落结构的主要因素是水分含量和水化学。变形虫需要湿度，因为作为水生生物，它们必须始终生活在水中。如果条件变得不利，尤其是土壤变干，它们有能力形成囊肿来避免干燥。[1] 包囊化 在这些物种中也允许传播。[3] 这些原生生物可以耐受很宽的温度范围，具体取决于物种，因此它们可以在热带和极地地区找到。研究还表明，地球上有壳变形虫的分布也受到pH 值的限制。有些物种可以在酸性沼泽 中生存，而另一些则可以在碱性土壤 中生存，而只有少数物种能够耐受这两种生境。[4]
顾名思义，这类变形虫的特点是存在一个外壳，而裸变形虫 则没有。这个外壳是由各种元素构成的。[3]
每个有壳变形虫物种都具有特定的外壳形态和成分，这使得人们能够识别和分类它们。即使在变形虫死亡后，外壳仍然存在于土壤中，有时可以存在数百年。由于它们对环境扰动非常敏感，因此它们可以在各种研究领域（生态学、古生态学、古湖沼学、古气候学、泥炭地再生、土壤和空气污染监测以及生态毒理学）中成为良好的生物指示器。[5] 它们的大小在 10 到 500 微米之间。大多数的大小在 20 到 200 微米之间，但也观察到一些个体，大小可达 2000 微米。
有壳变形虫通过其伪足 运动和进食。较小的物种主要是细菌食性。然而，较大的物种也可以利用其他食物来源，例如原生生物，包括其他有壳变形虫或裸变形虫、真菌、小型后生动物、藻类和碎屑有机颗粒。[4]
繁殖方式，目前仍知之甚少，是通过无性二元裂殖复制亲本。在自然条件下，种群的倍增时间估计在六到十一天之间。[4]
对有壳变形虫进行分类的两个主要标准是外壳结构和伪足形态。根据外壳的成分，外壳类型可以分为三个主要类别
- 蛋白质外壳是有机外壳，由复合结构蛋白制成，可以是块状或均匀层状。
- 粘合外壳来自外源收集的材料，例如硅藻 的矿物颗粒或 Euglyphida 的硅质片。
- 硅质或钙质外壳由生物体自身产生的杆状、钉状或片状结构构成。
根据伪足的形状，有壳变形虫可以分为两组。有壳变形虫中的 Lobose 类属于变形虫门，其特征是具有叶状或指状伪足。有壳变形虫中的 Filose 类属于Cercozoa 门，其特征是具有细长伪足。新的分子方法分子分类 的发展现在使得人们能够重新评估基于伪足形态的分类。[2]
有壳变形虫的两个主要目是Arcellinida 和Euglyphida。Arcellinida 目属于有壳变形虫中的 Lobose 类，是数量最多的类群。它们大约占所有已知有壳变形虫物种的三分之二。Euglyphida 目属于有壳变形虫中的 Filose 类。
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法医学是利用科学知识和方法解决刑事调查的学科。估计死亡后间隔 (PMI)是法医学的主要目的之一，因为它在解决刑事案件中至关重要。事实上，它可以帮助我们了解事件发生的顺序。目前，有两种主要的方法来确定PMI。
- 医学技术： 这些技术可以进行死亡后时间推算。例如，利用尸体的温度或尸僵。这种方法可以估计从几个小时到大约三天内的PMI。超过这个时间，医学方法就不再适用。
- 法医昆虫学： 通过观察幼虫阶段的蝇类和甲虫，法医昆虫学家能够估计几周后的PMI。[6]
对于更长的PMI，这些技术就不再精确。因此，在过去几十年中，科学家们注意到尸体会明显地改变周围环境，开始关注尸体对土壤成分的影响，以探索新的PMI确定技术。研究人员已经对尸体对土壤营养物质、pH值、真菌和微生物群落的影响进行了研究。研究表明，尸体下方土壤中的磷、碳和氮浓度（以及其他元素）以及pH值都会显着升高。[2][7][8] 这些变化在尸体埋入地下两年后仍然存在。[6] 在有尸体的存在下，细菌和真菌的数量也会大幅增加。[2][8]
因此，科学家们推测，尸体下方发生的这些重大环境变化可能会强烈影响有壳变形虫群落的组成，而有壳变形虫对包括水分、pH值、营养物质和猎物群落变化在内的多种因素非常敏感。[2]
有壳变形虫在法医学中的应用
[edit | edit source]有壳变形虫是一类经常被用作生物指示剂的原生生物。生物指示剂是指可以用来检测和定量表征特定环境因素或环境因素组合的生物。例如，有壳变形虫似乎是最适合的农业生物指示剂，因为它们对杀虫剂处理高度敏感。[2] 有壳变形虫可以作为生物指示剂，因为它们具备一些特点使其非常适合此类研究：[2]
- 它们的壳即使在生物体死亡后也能保存下来，甚至可以在泥炭地中形成化石（在其他环境中，壳在死亡后不会保存很长时间）。
- 它们存在于各种各样的栖息地，数量非常多。
- 它们易于寻找和识别（即使这需要花费时间，并且分类学尚未完全确定）。
- 它们对非生物和生物环境变化非常敏感，它们的反应可以很快观察到，可以通过形态适应和群落结构变化来识别。[2][9]
- 它们可以在压力环境下进行包囊和脱囊。
一项研究关注尸体对有壳变形虫群落的影响，结果表明，尸体会导致尸体下方有壳变形虫的多样性和数量大幅下降。观察显示，在22到33天后，尸体下方不再存在活的变形虫。[5] 在主动腐烂阶段结束后，即1到2个月，变形虫群落会开始恢复，[span>6] 但即使在10个月后，恢复仍然没有完全完成。[span>5]
数量下降可能由多种原因造成。一项补充研究表明，这与尸体下方土壤中氮和有机碳的显著输入有关。数量下降可能是由于缺氧条件或直接的高氮浓度造成的。[span>6][10] 此外，大量的营养物质输入和pH值变化（由铵离子的摄入引起[span>7]）会导致细菌丰度和群落结构发生巨大变化。[span>6] 细菌是有壳变形虫的主要食物来源，某些物种很可能对某种猎物非常专一。因此，任何猎物群落的变化都可能导致变形虫群落发生变化。[span>6][span>11][span>12] 事实上，多项研究已经证明，有壳变形虫与水分、pH值、温度、猎物可用性和营养物质变化密切相关，这些影响可能是直接的或间接的。[2] 尸体腐烂过程中群落结构的变化遵循时间顺序模式，可以作为确定PMI的工具。
总之，将有壳变形虫用于法医目的，重点关注有壳变形虫的群落结构、恢复时间和演替模式，是非常合适的。[5]
即使分类学仍然不完整，物种识别也需要花费时间，[span>2] 但分子方法的改进可能会使有壳变形虫在法医学中的应用更加容易获得。
尸体对土壤的影响
[edit | edit source]生态系统中的尸体
[edit | edit source]分解过程是能量和物质循环的核心。事实上，菲利普·S·巴顿写道：
“高达90%的植物产生的有机物质在生命体存活时不会被消耗，而是进入碎屑库。动物消耗剩余的10%，将其转化为新的组织用于生长和发育，最终以排泄物和腐尸的形式将这些营养物质回馈给碎屑库。”[8]
尸体进入生态系统会导致重大变化。事实上，它的快速分解过程、营养丰富和斑块状影响使其成为生物和化学活动的基本热点（与植物相比）。[span>8]
此外，它会带来生物多样性的显著增加，这是由于昆虫、微生物、食腐动物和捕食者被这种不寻常的食物来源吸引而导致的。腐尸分解受温度和水分影响，并会加速生态系统及其群落的时间和空间动态。空间动态受能量和营养物质流动的影响，时间动态受物种演替的影响。[span>8]
微生物在循环过程中至关重要，因为它们可以将基本营养物质矿化，使植物能够吸收，而植物是食物链的最初环节。节肢动物和食腐动物会在水平方向上分散营养物质。最终，所有动物，无论是捕食者还是猎物，都会在死亡后重新进入分解循环。[8]
生态演替理论
[edit | edit source]生态演替 是指生态群落物种结构随时间推移而发生的变化过程。时间尺度可以是几十年（例如，野火之后），甚至是在大灭绝之后数百万年。[13] 对于尸体而言，则以天为单位计算。
群落从相对较少的先锋植物和动物开始，并随着复杂度的增加而发展，直到成为稳定的或自我维持的顶极群落。演替的“引擎”，即生态系统变化的原因是已建立物种对其自身环境的影响。生存的结果有时会对自身环境造成细微而有时又显而易见的变化。[14]
植物生态学和腐尸生态学中的演替之间的区别在于，一旦资源耗尽，腐尸生态系统不会达到顶极。[8] 尽管如此，许多研究表明，不同的生物群落（尤其是节肢动物）会随着时间的推移而相互追随，这与各种分解阶段的进展相平行（在分解过程中，尸体的组成会迅速变化，提供各种食物）。例如，它允许使用昆虫来评估PMI。有可能这个理论可以完全应用于检验有壳变形虫。[2]
尸体对土壤的影响快速、巨大且局部化，也被称为“尸体分解岛 (CDI)”。[7] 它释放大量的营养物质，如氮、碳或磷。铵离子的释放导致pH 值升高。[7] 这种变化遵循与尸体质量损失相关的可预测的时间模式。[8] 体液及其营养物质在土壤中的释放极大地增加了微生物的生物量和活性。事实上，真菌和细菌的丰度和多样性与土壤的养分含量直接相关。[7] 此外，在CDI 的边缘，土壤更加肥沃，具有更广泛的生物多样性和生物量生产。
五个一般阶段用于描述脊椎动物分解过程：新鲜、膨胀、活跃和高级腐烂以及干燥/遗骸。[15] 分解的一般阶段与化学分解的两个阶段相结合：自溶 和 腐烂。[16] 这两个阶段促成了化学分解过程，它分解了身体的主要成分。
- “新鲜”阶段从心脏停止和体内氧气耗尽开始。没有氧气，有氧代谢停止，细胞的酶促消化（自溶）开始。苍蝇产卵，蛆开始啃食组织。细菌种群在 24 小时内开始增长。
- “膨胀”阶段是由 48 小时后缺乏氧气引起的，这会促进厌氧细菌，它们将糖和脂类转化为有机酸，如丙酸或乳酸。这是腐烂阶段。气压通过孔口（嘴巴、鼻子、肛门）将体液排出体外。
- “活跃腐烂”阶段从渗漏和蛆导致的体表破损开始，这使得氧气重新进入，蛆和有氧活动再次增加。在这个阶段，质量损失是巨大的。
- “高级腐烂”阶段发生在蛆转化为蛹时。在这个阶段，土壤中碳、养分和 pH 值的增加与对土壤生物学的积极影响无关。事实上，由于氮中毒和窒息等多种原因，植被和大多数生物，如弹尾类和螨类，都会死亡。
- “干燥”和“遗骸”阶段是分解过程的最后阶段。“干燥”阶段的特点是 CDI 周围的植被增加。“遗骸”阶段的特点是 CDI 内部的植被增加。由于易于获取，养分和水分迅速耗尽，但土壤中养分浓度不会下降。弹尾类和螨类种群减少，真菌由于高氮含量形成子实体。
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处于新鲜分解阶段的猪尸体 -
处于膨胀分解阶段的猪尸体 -
处于活跃腐烂分解阶段的猪尸体 -
处于高级腐烂分解阶段的猪尸体 -
处于干燥/遗骸分解阶段的猪尸体
继对尸体对有壳变形虫土壤群落影响的古代研究之后，[5] 我们的研究需要验证观察到的变化是否真正归因于完整的尸体或仅归因于其体液。因此，该研究将比较猪尸体、猪血和牛粪的影响。血液和粪便在确定 PMI 方面可能很重要，因为如果尸体丢失，它们是犯罪现场唯一剩下的元素。此外，它们对有壳变形虫群落的影响尚不清楚。本研究的最终目标是确认在法医学中使用有壳变形虫是合理的，并拓宽该新科学领域中稀缺的知识。
为了实现我们的目的，将设置三种处理并应用于土壤和凋落物：猪头、猪血和牛粪。还将设置一个仅由土壤和凋落物组成的对照。处理的跟踪持续四周，采样日每周进行一次（总共四次）。
猪头处理旨在模仿尸体对土壤的影响，尽管血液和粪便可以测试体液的影响。
为了分析处理对土壤群落的影响，将测量三个参数：呼吸测量法、pH 以及物种多样性 和活体和死亡有壳变形虫的相对丰度（活体/死亡比率）。
- 物种多样性和活体和死亡有壳变形虫的相对丰度是自然分析的，因为这些生物对干扰反应良好，这意味着群落的变化可以用作 PMI 测定的工具。
- 呼吸测量法可以测量土壤生物的代谢活性。呼吸计测量的 CO2 流量增加意味着土壤代谢活性增加，但不一定意味着有壳变形虫群落增加。这些数据可能有助于确定土壤代谢活性增加（细菌、真菌……）和变形虫丰度增加之间是否存在潜在的相关性。事实上，有壳变形虫以细菌和真菌为食，猎物丰度增加通常会导致捕食者丰度增加，但有壳变形虫对猎物或非生物环境的变化非常敏感，因此不一定观察到这一点。
- 测量pH 是因为有壳变形虫对此非常敏感，因此 pH 值的变化应该与变形虫群落的变化相关。这将证实先前的研究。
有壳变形虫是极其多才多艺的生物，它们的繁殖周期短，应该能够观察到种群在四种处理和时间段内的变化。它们对干燥和 pH 值敏感。因此，预计在每个处理罐中随着时间的推移会发现不同的有壳变形虫物种组合和不同的活体/死亡比率。
三种处理应该对水分和pH值产生不同的影响，而水分和pH值都是决定被囊变形虫群落结构的因素。[2] 事实上，水分率的增加应该会增加变形虫的 物种多样性，因为它们生活在土壤水中并依赖于它。相反，pH值的改变应该会降低变形虫的物种多样性，因为它们对pH值高度“依赖”。pH值和水分率应该会产生直接和间接的影响。直接影响可能是由非生物条件的变化引起的，间接影响可能是由猎物群落物种多样性的变化引起的。[2] 猪头和牛粪的存在应该会使凋落物中的土壤湿度率高于对照和血液处理，这应该会导致活体被囊变形虫物种多样性的增加。猪头和血液的存在应该会使pH值升至更碱性的条件，这应该会导致活体被囊变形虫物种多样性的减少。粪便应该会使pH值降低至更酸性的条件，这也会导致活体被囊变形虫物种多样性的减少。
土壤的 养分含量也对土壤群落有巨大的影响。养分（如碳、氮或磷）的增加可能会通过例如完全改变细菌菌群的组成来极大地改变土壤群落的组成。事实上，养分会产生影响，因为它们既可以作为营养元素，也可以改变pH值（例如铵离子）或具有毒性（例如过量的硝酸盐）。
根据这些预测，对照组样品应该是最干燥的，并且pH值变化最小。因此，被囊变形虫群落不应该随着时间的推移发生变化，除非由于干燥或潮湿的天气条件。
牛粪处理组样品应该略微湿润一些，因为粪便形成了一层防水层，并保持了凋落物中的湿度。通过这种方式，我们预计会看到土壤酸化，并且嗜酸性变形虫物种（如Arcella sp.、Assulina muscorum、Corythion dubium、Difflugia lucida、Euglypha sp.、Nebela collaris 和Nebela tincta）应该会变得更加丰富。[2][4] 粪便分解过程相当漫长，因此其对土壤养分含量的影响在头两周内应该不会显现出来。[4] 然后，分解者将养分引入土壤的过程应该会改变猎物群落，并降低活体被囊变形虫的物种多样性。
血液处理组样品应该与对照组一样干燥，但血液应该会影响土壤的pH值和养分含量，因此应该会看到一些群落演变。猎物群落的变化应该会对活体被囊变形虫群落的物种多样性产生负面影响，因为它们是相当特殊的捕食者。
猪头处理组样品应该会受到pH值变化的影响。头两周，pH值应该会升高，并达到略微碱性的水平。然后它应该会恢复到中性水平。这应该会影响变形虫群落，并允许嗜碱性物种（如Centropyxis aerophila、Nebela bohemica 和Nebela lageniformis）扩散。[18] 由于腐尸液体的影响以及头部阴影，水分含量应该会高于其他样品。这应该有利于繁殖率。[4] 土壤的养分含量应该会增加，并对活体被囊变形虫群落产生负面影响，就像血液处理一样。
参考文献
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