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深圳市環(huán)境科學(xué)院發(fā)表飲用水水庫微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境關(guān)系的研究成果!真邁生物GenoLab M高通量基因測序平臺(tái)助力
發(fā)布時(shí)間:
2024-04-15
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近日,真邁生物的合作單位深圳市環(huán)境科學(xué)研究院在《Frontiers in Microbiology》雜志上發(fā)表了題為“Evaluation of environmental factors and microbial community structure in an important drinking-water reservoir across seasons”的研究成果。該研究基于真邁生物GenoLab M高通量測序平臺(tái)對深圳市一座代表性供水水庫采集的不同季節(jié)的水庫底泥樣本(泥樣)和水體樣本(水樣)進(jìn)行宏基因組測序。基于測序的分析結(jié)果,比較了水庫泥樣和水樣中所含微生物群落組成上的差別,解析了不同季節(jié)對水體微生物群落構(gòu)成的影響,并深入分析了水庫中藻類毒素基因以及抗生素耐藥性基因的分布情況。


*以下為該研究成果解讀


背景簡介

飲用水安全一直備受全社會(huì)的關(guān)注,近些年來越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用到與之相關(guān)的研究中。其中,宏基因組(Metagenomics)技術(shù)備受矚目。宏基因組技術(shù)基于新一代高通量測序 (NGS)來檢測特定環(huán)境下微生物群落的基因組序列,通過群落微生物的基因組序列信息來描繪微生物的群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)/劣種群,并進(jìn)一步探究微生物不同種群的功能,不同種群之間的關(guān)系,以及種群與環(huán)境之間的關(guān)系。



結(jié)果概要

1


研究框架

本研究從2020年10月到2021年1月對供水水庫進(jìn)行跨季節(jié)取樣。研究人員在兩個(gè)取樣點(diǎn)-庫中(KZ)和取水口(QSK)-分別提取了泥樣(S=9)和水樣(W=17)兩種樣本,共獲取到26份樣本。隨后,將這26個(gè)樣本送往真邁生物使用GenoLab M平臺(tái)進(jìn)行宏基因組測序和相關(guān)分析。


2


水體樣本環(huán)境因子比較

該研究對所有水樣進(jìn)行了環(huán)境因子檢測,包括水體的溫度、pH、含氧量、總磷、總氮、TLI等。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn):

① 水樣的溫度分布在17.4-26.5之間(21.91?±?2.89);

② 取水口附近的水富營養(yǎng)化指標(biāo)(TLI)a高于庫中。

a:TLI是水體中常用的指標(biāo)之一,數(shù)值越大代表水體富營養(yǎng)化程度越高,且水質(zhì)越差。

Table1 水體樣本實(shí)驗(yàn)室理化性質(zhì)檢測結(jié)果表

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3


不同分組樣本的組間差異

隨后,研究人員進(jìn)行了進(jìn)行了PCA聚類分析,發(fā)現(xiàn)所有樣本可以根據(jù)取樣類型(水樣和泥樣)聚為兩組,兩組之間差異顯著。但是,按照取樣點(diǎn)劃分,取水口和庫中所取樣本組之間差別較小,Shannon指數(shù)b的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)果。

b:Shannon指數(shù)是用來估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一。常用于反映物種多樣性的指數(shù)。Shannon值越大,說明物種群落多樣性越高。


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圖1?PCA聚類分析和shannon指數(shù)對比


4


微生物物種在種水平上的差異

該研究對物種豐度進(jìn)行種水平的比較分析,發(fā)現(xiàn)水樣和泥樣的優(yōu)勢物種并不相同。泥樣中優(yōu)勢物種為錐囊藻(Dinobryon?sp_LO226KS)和分歧錐囊藻(Dinobryon divergens);而水樣中優(yōu)勢物種為洋桿菌(Candidatus Fonsibacter ubiquis)和假魚腥藻(Pseudanabaena yagii)。

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圖2 基于種水平的樣本物種豐度表


5


環(huán)境因子分析

研究人員在分析Shannon指數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象:?Shannon指數(shù)的變化趨勢與TLI的變化趨勢具有顯著的一致性。為了探究影響微生物群落不同物種組成的關(guān)鍵環(huán)境因子是否為TLI,研究人員進(jìn)行了冗余分析(RDA)。結(jié)果表明,溫度和TLI可能是影響微生物群落不同物種組成的關(guān)鍵因子。研究人員同時(shí)根據(jù)相關(guān)性篩選了與環(huán)境因子顯著相關(guān)的Mark物種,為基于物種變化監(jiān)測TLI等環(huán)境因子提供新的方向。


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圖3?TLI與香農(nóng)指數(shù)變化趨勢


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圖4 RDA關(guān)鍵影響環(huán)境因子分析


6


藻類毒素基因和抗生素耐藥性基因分布和潛在來源

藻類毒素是藻類在生長發(fā)育過程中產(chǎn)生的一種對人體有害的毒性物質(zhì),會(huì)嚴(yán)重影響水質(zhì)。因此,本研究進(jìn)一步分析了水庫中藻類毒素基因的來源和分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)柱孢藻毒素(CYN)相關(guān)的基因簇含量最高,其主要來源于擬柱胞藻(Cylindrospermopsis)、尖頭藻?(Raphidiopsis?)和隱球藻?(Aphanocapsa)三個(gè)藻類屬。前兩個(gè)藻類也是CYN毒素來源的潛在物種,而Aphanocapsa被首次報(bào)道可能含有CYN毒素的相關(guān)基因簇。

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圖5?藻類毒素基因來源分析


抗生素的廣泛使用,導(dǎo)致了細(xì)菌的廣譜耐藥性。這對于人類的健康來說,是一個(gè)亟待解決的問題。水庫作為一種天然沉積場所,匯聚了各種來源的耐藥性細(xì)菌,是細(xì)菌的耐藥基因最完美的富集場所?;诖?,本研究對水庫中抗生素耐藥性基因(ARG)進(jìn)行了深入挖掘,結(jié)果發(fā)現(xiàn)多藥耐藥基因是含量最高的ARG,而泥樣中ARG的構(gòu)成比水樣中要復(fù)雜,這也預(yù)示著水庫更大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

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圖6?抗生素耐藥基因相關(guān)性分析



結(jié)論

基于上述分析,我們得出如下結(jié)論:

1、季節(jié)變化與采樣地點(diǎn)對水庫的微生物組成沒有顯著性的影響,而水體或者水底泥的樣本類型對微生物的組成影響較大;

2、TLI和溫度可能是影響水體微生物群落組成的關(guān)鍵環(huán)境因子;

3、構(gòu)建了水庫的藻類毒素基因種類數(shù)據(jù)集,以及主要藻類毒素來源的關(guān)鍵物種,并首次發(fā)現(xiàn)了Aphanocapsa可能含有藻類毒素基因;

4、水庫中耐多藥抗生素耐藥基因簇的含量最高,且泥樣中抗生素相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜,提示更高的風(fēng)險(xiǎn)存在。

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