微生物多樣性測序的應(yīng)用：飲用水、水庫、河流

 

微生物多樣性測序的應(yīng)用案例一

微生物多樣性揭露飲用水含水層中微生物群落的選擇性壓力——地球化學(xué)參數(shù)與微污染物的關(guān)系[2]

期刊：Environmental?Pollution

影響因子：8.071

發(fā)表時間：2022.01.07

研究方法：16S?rRNA測序（V1-V2）+功能基因qPCR?（硝酸鹽還原功能基因nirS、nirK、nosZ以及硫酸鹽還原基因dsrB）

研究內(nèi)容

地下水質(zhì)量對飲用水生產(chǎn)至關(guān)重要，但地下水資源正日益受到農(nóng)藥污染的威脅。由于殺蟲劑經(jīng)常出現(xiàn)在微型污染地濃度下，它們對微生物來說是沒有吸引力的碳源，通常會頑固地存在。探索用于飲用水生產(chǎn)的含水層中的微生物群落，是了解地下水中微污染物命運(yùn)的重要第一步。在這項(xiàng)研究中，調(diào)查了用于飲用水生產(chǎn)的含水層中地下水地球化學(xué)、殺蟲劑脅迫和微生物群落之間的相互作用。首先，于荷蘭的兩口地下水監(jiān)測井采樣，同時在2014年、2015年和2016年進(jìn)行了采樣，并且在兩口井中，從13到54?m的五個離散深度對水進(jìn)行了采樣。為了研究上述科學(xué)問題，使用16S?rRNA基因測序和qPCR分析地球化學(xué)參數(shù)、農(nóng)藥濃度和微生物群落組成，其中，地下水地球化學(xué)在整個研究期間是穩(wěn)定的，農(nóng)藥在低濃度（μg?L-1范圍）下分布不均勻。通過計(jì)算Alpha多樣性指數(shù)PD?whole?tree，發(fā)現(xiàn)各個采樣點(diǎn)間的數(shù)據(jù)相似，但是隨著采樣點(diǎn)深度加深而變大。來自同一口井和深度的樣品緊密地組合在一起，這意味著微生物群落在時間上是穩(wěn)定的（圖2），同時，所有的樣品形成三組，第一組：根據(jù)深度（來自兩口井的大于40米的樣本歸為一組）；第二組和第三組：井（來自小于40米的樣本分成兩個不同的組–每口井一個）分開。地球化學(xué)參數(shù)和較小程度的農(nóng)藥污染對微生物群落產(chǎn)生了選擇壓力，樣品中的微生物群落尤其受到DOC、硝酸鹽、鐵（II）和硫酸鹽豐度的影響。兩口井中的微生物群落在較深的含水層中顯示出相似的組成，在那里抽水會導(dǎo)致水平流動。這項(xiàng)研究提供了對塑造微生物群落組成的地下水參數(shù)的深入了解。這些信息有助于未來實(shí)施修復(fù)技術(shù)，以保證安全的飲用水生產(chǎn)。

微生物多樣性測序的應(yīng)用案例二

二代微生物多樣性發(fā)掘水文管理引起的環(huán)境和微生物變化的協(xié)同作用以及其對三峽水庫碳排放的影響?[3]

期刊：Science?of?the?Total?Environment

影響因子：7.963

發(fā)表時間：2022.01.29

研究方法：二代微生物多樣性（16S?rRNA+18S?rRNA測序）

研究內(nèi)容

水文管理引起的環(huán)境和微生物變化對河流水庫碳排放的協(xié)同作用仍然未知。在此，我們調(diào)查了三峽水庫（TGR）地表水在一個完整的水文年度內(nèi)的生理化學(xué)參數(shù)、溶解性有機(jī)物（DOM）的組成、碳通量（CH4和CO2）以及微生物群落。結(jié)果表明，水文管理明顯改變了三峽水庫水體的生理化學(xué)和DOM組成，并進(jìn)一步影響了微生物群落的組成和功能，微生物群落的Alpha多樣性指數(shù)在TGR中顯示出明顯的季節(jié)性變化：在ASVs水平上，原核生物群落的Alpha多樣性指數(shù)在6月最高（對應(yīng)排水期最低水位145米），而真核生物群落的Alpha多樣性指數(shù)在9月最高（對應(yīng)蓄水期的開始）。同時，TGR地區(qū)微生物群落的α多樣性在3月（蓄水結(jié)束前）和6月（排水期間）表現(xiàn)出明顯的空間差異：主流區(qū)原核生物的平均α多樣性指數(shù)高于支流區(qū)；3月，主流區(qū)真核生物群落的α多樣性高于支流區(qū)。排水期的DOM含量比蓄水期低得多，在蓄水期，DOM的腐殖化程度逐漸降低，而生物轉(zhuǎn)化程度比排水期有所提高，DOM的組成和水的pH值分別與CH4和CO2的通量表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。微生物群落的組成和功能在排水期和蓄水期之間有明顯的差異，大多數(shù)有差異的微生物類群隸屬于參與碳循環(huán)的功能組，如甲烷營養(yǎng)和光營養(yǎng)，這與碳通量表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，CH4和CO2的通量可以分別由微生物功能與DOM組成和水的pH值的協(xié)同作用來解釋。這種協(xié)同效應(yīng)可能是觀察到的CH4通量的時間變化和CO2的空間變化的原因，也是TGR年碳排放量相對較低的原因?？傊伤墓芾硪鸬沫h(huán)境和微生物變化的協(xié)同作用影響了河流水庫的碳排放。

微生物多樣性測序的應(yīng)用案例三

二代微生物多樣性助力優(yōu)化微生物群落指紋，確定河流-湖泊耦合系統(tǒng)中沉積物磷源的新見解?[4]

期刊：Environmental?Research

影響因子：6.498

發(fā)表時間：2022.01.29

研究方法：16S?rRNA測序（V3-V4）+SourceTracker確定磷元素來源及比例

研究內(nèi)容

識別河湖耦合系統(tǒng)中的沉積物磷源是制定磷的優(yōu)先控制策略的一個急需解決的問題。由于沉積物中吸附的磷和微生物會隨著水動力的變化而遷移，磷源特定的微生物群落“指紋”有助于確定主要的沉積物磷源，然而，微生物群落“指紋”的識別是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)槲⑸镅萏婧秃雍到y(tǒng)的水文特征都會影響“指紋”的穩(wěn)定性。因此，本研究提供了一個優(yōu)化磷源特異性微生物群落“指紋”的框架，并試圖確定河湖耦合生態(tài)系統(tǒng)中沉積物磷的主要來源。梅梁湖是太湖中高度富營養(yǎng)化的地區(qū)之一，那里的沉積物、細(xì)菌群落和磷有著密切的關(guān)系，通過分析微生物在水體中的連通性，構(gòu)建了一個微生物“指紋”候選數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)在梅梁湖及其上游的三條河流采樣（18個樣點(diǎn)），通過對采樣點(diǎn)的水樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采樣點(diǎn)均是富營養(yǎng)化的，而且湖底沉積物和河流沉積物的比較，表明流入河流的沉積物有很大的磷釋放風(fēng)險。通過對微生物和磷元素以及沉積物之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的沉積物、細(xì)菌群落和磷之間存在著密切的關(guān)系。微生物OUT之間的比較發(fā)現(xiàn)上游與湖泊共享的OTU比例高于下游與湖泊共享的比例，接下來比較上下游預(yù)測結(jié)果的差異，對與磷有關(guān)的細(xì)菌群落進(jìn)行了篩選和優(yōu)化，形成了穩(wěn)定的微生物群落“指紋”，其中包括Bacteroidia，Bacilli，Clostridi其他綱水平的物種。基于優(yōu)化后的磷源特異性微生物群落“指紋”的SourceTracker結(jié)果表明，梅梁湖的沉積物的主要磷源為梁溪河、武進(jìn)港河和東環(huán)堤河，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.59%至27.56%。根據(jù)綜合污染指數(shù)和水動力條件，進(jìn)一步確認(rèn)了磷源的準(zhǔn)確性。本研究對如何提高微生物群落指紋的穩(wěn)定性提出了建議，并將有助于提高對應(yīng)用微生物源追蹤方法確定沉積物磷等非生物污染源的認(rèn)識。

總結(jié)

通過以上三篇文章，我們可以發(fā)現(xiàn)，自然水體微生物組研究往往與水文地理和理化性質(zhì)有關(guān)，其研究思路可大致歸納為：

（1）設(shè)置采樣地點(diǎn)；

（2）采樣地點(diǎn)理化性質(zhì)、水文地理記錄及調(diào)查；

（3）采樣樣品微生物多樣性數(shù)據(jù)分析；

（4）聯(lián)合分析微生物多樣性與理化及水文地理。

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