微生物多樣性測序的應用：飲用水、水庫、河流

 

微生物多樣性測序的應用案例一

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)參數與微污染物的關(guān)系[2]

期刊：Environmental?Pollution

影響因子：8.071

發(fā)表時(shí)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?jì)热?/h4>

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藥污染的威脅。由于殺蟲(chóng)劑經(jīng)常出現在微型污染地濃度下，它們對微生物來(lái)說(shuō)是沒(méi)有吸引力的碳源，通常會(huì )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的重要第一步。在這項研究中，調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(chóng)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測井采樣，同時(shí)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(gè)離散深度對水進(jìn)行了采樣。為了研究上述科學(xué)問(wèn)題，使用16S?rRNA基因測序和qPCR分析地球化學(xué)參數、農藥濃度和微生物群落組成，其中，地下水地球化學(xué)在整個(gè)研究期間是穩定的，農藥在低濃度（μg?L-1范圍）下分布不均勻。通過(guò)計算Alpha多樣性指數PD?whole?tree，發(fā)現各個(gè)采樣點(diǎn)間的數據相似，但是隨著(zhù)采樣點(diǎn)深度加深而變大。來(lái)自同一口井和深度的樣品緊密地組合在一起，這意味著(zhù)微生物群落在時(shí)間上是穩定的（圖2），同時(shí)，所有的樣品形成三組，第一組：根據深度（來(lái)自?xún)煽诰拇笥?0米的樣本歸為一組）；第二組和第三組：井（來(lái)自小于40米的樣本分成兩個(gè)不同的組–每口井一個(gè)）分開(kāi)。地球化學(xué)參數和較小程度的農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(huì )導致水平流動(dòng)。這項研究提供了對塑造微生物群落組成的地下水參數的深入了解。這些信息有助于未來(lái)實(shí)施修復技術(shù)，以保證安全的飲用水生產(chǎn)。

圖2?采樣點(diǎn)微生物的PCA圖（基于unweighted?Unifrac）

微生物多樣性測序的應用案例二

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(shí)間：2022.01.29

研究方法：二代微生物多樣性（16S?rRNA+18S?rRNA測序）

研究?jì)热?/h4>

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，我們調查了三峽水庫（TGR）地表水在一個(gè)完整的水文年度內的生理化學(xué)參數、溶解性有機物（DOM）的組成、碳通量（CH4和CO2）以及微生物群落。結果表明，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多樣性指數在TGR中顯示出明顯的季節性變化：在A(yíng)SVs水平上，原核生物群落的Alpha多樣性指數在6月最高（對應排水期最低水位145米），而真核生物群落的Alpha多樣性指數在9月最高（對應蓄水期的開(kāi)始）。同時(shí)，TGR地區微生物群落的α多樣性在3月（蓄水結束前）和6月（排水期間）表現出明顯的空間差異：主流區原核生物的平均α多樣性指數高于支流區；3月，主流區真核生物群落的α多樣性高于支流區。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，大多數有差異的微生物類(lèi)群隸屬于參與碳循環(huán)的功能組，如甲烷營(yíng)養和光營(yíng)養，這與碳通量表現出明顯的相關(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(lái)解釋。這種協(xié)同效應可能是觀(guān)察到的CH4通量的時(shí)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?，由水文管理引起的環(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。

圖3生理化學(xué)變量和微生物與TGR中CO2和CH4通量之間的相關(guān)性，A組和B組分別為生理化學(xué)變量和微生物

微生物多樣性測序的應用案例三

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

期刊：Environmental?Research

影響因子：6.498

發(fā)表時(shí)間：2022.01.29

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

研究?jì)热?/h4>

識別河湖耦合系統中的沉積物磷源是制定磷的優(yōu)先控制策略的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。由于沉積物中吸附的磷和微生物會(huì )隨著(zhù)水動(dòng)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(gè)挑戰，因為微生物演替和河湖系統的水文特征都會(huì )影響“指紋”的穩定性。因此，本研究提供了一個(gè)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)系統中沉積物磷的主要來(lái)源。梅梁湖是太湖中高度富營(yíng)養化的地區之一，那里的沉積物、細菌群落和磷有著(zhù)密切的關(guān)系，通過(guò)分析微生物在水體中的連通性，構建了一個(gè)微生物“指紋”候選數據庫。實(shí)驗在梅梁湖及其上游的三條河流采樣（18個(gè)樣點(diǎn)），通過(guò)對采樣點(diǎn)的水樣進(jìn)行分析，發(fā)現采樣點(diǎn)均是富營(yíng)養化的，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(guò)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)現研究區的沉積物、細菌群落和磷之間存在著(zhù)密切的關(guān)系。微生物OUT之間的比較發(fā)現上游與湖泊共享的OTU比例高于下游與湖泊共享的比例，接下來(lái)比較上下游預測結果的差異，對與磷有關(guān)的細菌群落進(jìn)行了篩選和優(yōu)化，形成了穩定的微生物群落“指紋”，其中包括Bacteroidia，Bacilli，Clostridi其他綱水平的物種?；趦?yōu)化后的磷源特異性微生物群落“指紋”的SourceTracker結果表明，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，相對標準偏差為2.59%至27.56%。根據綜合污染指數和水動(dòng)力條件，進(jìn)一步確認了磷源的準確性。本研究對如何提高微生物群落指紋的穩定性提出了建議，并將有助于提高對應用微生物源追蹤方法確定沉積物磷等非生物污染源的認識。

圖4?網(wǎng)絡(luò )分析顯示35個(gè)細菌群落在級別上（用圓圈表示）和8個(gè)不同的磷形式（用三角形表示）之間有很強的相關(guān)性

總結

通過(guò)以上三篇文章，我們可以發(fā)現，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)、水文地理記錄及調查；

（3）采樣樣品微生物多樣性數據分析；

（4）聯(lián)合分析微生物多樣性與理化及水文地理。

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