天然水体是指被水覆盖着的地球表面的自然综合体,海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川等都是天然水体,水体不仅仅是单指水,还包括其中所含的各种物质,如溶解物质、悬浮物质、水生生物及底质等。正是由于天然水体的存在,从而使其能在自然界和人类生活中发挥着巨大的作用,并成为决定人类和自然环境的重要因素。天然水的化学成分,是指存在于水中各种元素的离子、分子、溶解和未溶解的气体成分、天然和人工的同位素、各种有机化合物、活的或死的微生物(细菌)以及不同成分的机械物质和胶体物质等[1]。

水是生命之源,天然水体和人类生活息息相关,天然水体作为人类生活用水,娱乐的来源,其中的微生物与人体健康密切相关,本次的微信推文精选了三篇研究天然水体微生物的高分案例,希望能为各位感兴趣的老师提供研究思路。

微生物多样性测序的应用案例一

微生物多样性揭露饮用水含水层中微生物群落的选择性压力——地球化学参数与微污染物的关系[2]

期刊:Environmental Pollution

影响因子:8.071

发表时间:2022.01.07

研究方法:16S rRNA测序(V1-V2)+功能基因qPCR (硝酸盐还原功能基因nirS、nirK、nosZ以及硫酸盐还原基因dsrB)

研究内容

地下水质量对饮用水生产至关重要,但地下水资源正日益受到农药污染的威胁。由于杀虫剂经常出现在微型污染地浓度下,它们对微生物来说是没有吸引力的碳源,通常会顽固地存在。探索用于饮用水生产的含水层中的微生物群落,是了解地下水中微污染物命运的重要第一步。在这项研究中,调查了用于饮用水生产的含水层中地下水地球化学、杀虫剂胁迫和微生物群落之间的相互作用。首先,于荷兰的两口地下水监测井采样,同时在2014年、2015年和2016年进行了采样,并且在两口井中,从13到54 m的五个离散深度对水进行了采样。为了研究上述科学问题,使用16S rRNA基因测序和qPCR分析地球化学参数、农药浓度和微生物群落组成,其中,地下水地球化学在整个研究期间是稳定的,农药在低浓度(μg L-1范围)下分布不均匀。通过计算Alpha多样性指数PD whole tree,发现各个采样点间的数据相似,但是随着采样点深度加深而变大。来自同一口井和深度的样品紧密地组合在一起,这意味着微生物群落在时间上是稳定的(图2),同时,所有的样品形成三组,第一组:根据深度(来自两口井的大于40米的样本归为一组);第二组和第三组:井(来自小于40米的样本分成两个不同的组–每口井一个)分开。地球化学参数和较小程度的农药污染对微生物群落产生了选择压力,样品中的微生物群落尤其受到DOC、硝酸盐、铁(II)和硫酸盐丰度的影响。两口井中的微生物群落在较深的含水层中显示出相似的组成,在那里抽水会导致水平流动。这项研究提供了对塑造微生物群落组成的地下水参数的深入了解。这些信息有助于未来实施修复技术,以保证安全的饮用水生产。

图2 采样点微生物的PCA图(基于unweighted Unifrac)

微生物多样性测序的应用案例二

二代微生物多样性发掘水文管理引起的环境和微生物变化的协同作用以及其对三峡水库碳排放的影响 [3]

期刊:Science of the Total Environment

影响因子:7.963

发表时间:2022.01.29

研究方法:二代微生物多样性(16S rRNA+18S rRNA测序)

研究内容

水文管理引起的环境和微生物变化对河流水库碳排放的协同作用仍然未知。在此,我们调查了三峡水库(TGR)地表水在一个完整的水文年度内的生理化学参数、溶解性有机物(DOM)的组成、碳通量(CH4和CO2)以及微生物群落。结果表明,水文管理明显改变了三峡水库水体的生理化学和DOM组成,并进一步影响了微生物群落的组成和功能,微生物群落的Alpha多样性指数在TGR中显示出明显的季节性变化:在ASVs水平上,原核生物群落的Alpha多样性指数在6月最高(对应排水期最低水位145米),而真核生物群落的Alpha多样性指数在9月最高(对应蓄水期的开始)。同时,TGR地区微生物群落的α多样性在3月(蓄水结束前)和6月(排水期间)表现出明显的空间差异:主流区原核生物的平均α多样性指数高于支流区;3月,主流区真核生物群落的α多样性高于支流区。排水期的DOM含量比蓄水期低得多,在蓄水期,DOM的腐殖化程度逐渐降低,而生物转化程度比排水期有所提高,DOM的组成和水的pH值分别与CH4和CO2的通量表现出明显的相关性。微生物群落的组成和功能在排水期和蓄水期之间有明显的差异,大多数有差异的微生物类群隶属于参与碳循环的功能组,如甲烷营养和光营养,这与碳通量表现出明显的相关性,CH4和CO2的通量可以分别由微生物功能与DOM组成和水的pH值的协同作用来解释。这种协同效应可能是观察到的CH4通量的时间变化和CO2的空间变化的原因,也是TGR年碳排放量相对较低的原因。总之,由水文管理引起的环境和微生物变化的协同作用影响了河流水库的碳排放。

图3生理化学变量和微生物与TGR中CO2和CH4通量之间的相关性,A组和B组分别为生理化学变量和微生物

微生物多样性测序的应用案例三

二代微生物多样性助力优化微生物群落指纹,确定河流-湖泊耦合系统中沉积物磷源的新见解 [4]

期刊:Environmental Research

影响因子:6.498

发表时间:2022.01.29

研究方法:16S rRNA测序(V3-V4)+SourceTracker确定磷元素来源及比例

研究内容

识别河湖耦合系统中的沉积物磷源是制定磷的优先控制策略的一个急需解决的问题。由于沉积物中吸附的磷和微生物会随着水动力的变化而迁移,磷源特定的微生物群落“指纹”有助于确定主要的沉积物磷源,然而,微生物群落“指纹”的识别是一个挑战,因为微生物演替和河湖系统的水文特征都会影响“指纹”的稳定性。因此,本研究提供了一个优化磷源特异性微生物群落“指纹”的框架,并试图确定河湖耦合生态系统中沉积物磷的主要来源。梅梁湖是太湖中高度富营养化的地区之一,那里的沉积物、细菌群落和磷有着密切的关系,通过分析微生物在水体中的连通性,构建了一个微生物“指纹”候选数据库。实验在梅梁湖及其上游的三条河流采样(18个样点),通过对采样点的水样进行分析,发现采样点均是富营养化的,而且湖底沉积物和河流沉积物的比较,表明流入河流的沉积物有很大的磷释放风险。通过对微生物和磷元素以及沉积物之间进行关联分析,发现研究区的沉积物、细菌群落和磷之间存在着密切的关系。微生物OUT之间的比较发现上游与湖泊共享的OTU比例高于下游与湖泊共享的比例,接下来比较上下游预测结果的差异,对与磷有关的细菌群落进行了筛选和优化,形成了稳定的微生物群落“指纹”,其中包括Bacteroidia,Bacilli,Clostridi其他纲水平的物种。基于优化后的磷源特异性微生物群落“指纹”的SourceTracker结果表明,梅梁湖的沉积物的主要磷源为梁溪河、武进港河和东环堤河,相对标准偏差为2.59%至27.56%。根据综合污染指数和水动力条件,进一步确认了磷源的准确性。本研究对如何提高微生物群落指纹的稳定性提出了建议,并将有助于提高对应用微生物源追踪方法确定沉积物磷等非生物污染源的认识。

图4 网络分析显示35个细菌群落在级别上(用圆圈表示)和8个不同的磷形式(用三角形表示)之间有很强的相关性

总结

通过以上三篇文章,我们可以发现,自然水体微生物组研究往往与水文地理和理化性质有关,其研究思路可大致归纳为:

(1)设置采样地点;

(2)采样地点理化性质、水文地理记录及调查;

(3)采样样品微生物多样性数据分析;

(4)联合分析微生物多样性与理化及水文地理。

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参考文献:

1. 窦明,左其亭编著,水环境学,中国水利水电出版社,2014.03,第11页

2. Aldas-Vargas A, Hauptfeld E, Hermes G D A, et al. Selective pressure on microbial communities in a drinking water aquifer-Geochemical parameters vs. micropollutants[J]. Environmental Pollution, 2022: 118807.

3. She W, Yang J, Wu G, et al. The synergy of environmental and microbial variations caused by hydrologic management affects the carbon emission in the Three Gorges Reservoir[J]. Science of The Total Environment, 2022, 821: 153446.

4. Sun C, Xiong W, Zhang W, et al. New insights into identifying sediment phosphorus sources in river-lake coupled system: A framework for optimizing microbial community fingerprints[J]. Environmental Research, 2022, 209: 112854.

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