分类： 微生物组学
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中国矿业大学在Journal of Hazardous Materials（IF=11.3）发表题为“Multi-omics reveals the systematical influence of composite heavy metal (loid)s on soil microbial function: Elemental cycling and microbial adaptation mechanisms”的研究论文。

该研究结合ONT三代宏基因组、基因组组装与比较基因组等多组学策略，揭示了复合重金属对土壤微生物功能的系统性影响。研究阐明了重金属胁迫下微生物元素循环网络的重构规律，明确碳固定、反硝化、有机磷矿化与硫代谢等关键过程的响应特征，并解析基于基因水平转移、铁载体合成与DNA修复的多级适应机制，成果为重金属污染土壤的生物修复与元素循环调控提供了重要理论依据。百迈客生物为该研究提供了ONT三代宏基因组测序服务。

研究背景

复合重金属（类金属）污染严重扰动土壤微生态系统，深刻影响碳、氮、磷、硫等关键元素循环过程。

传统测序技术难以完整解析微生物在污染胁迫下的功能重塑与适应机制。

研究思路

实验设计

研究采用田间采样+实验室富集培养+多组学分析的策略，分为两个互补部分：

  • 第一部分（野外样本）：

从北京平谷区金矿尾矿库周围采集土壤样本，根据重金属污染程度分为三组：

L组（低污染）：上游，未受污染

M组（中污染）：尾矿库下游

H组（高污染）：洗矿厂附近

每组3个采样点，每个点按0–100 cm深度、每20 cm分层采样，共45个样本。

环境条件：25°C，14h光照/10h黑暗，湿度65%

  • 第二部分（富集培养）：

从H组（高污染）土壤中进行选择性富集培养，获得耐受重金属的微生物群落，用于后续长读长测序。

技术手段

主要研究结果

重金属污染对微生物功能基因组装的影响

中性群落模型（NCM）显示：中低污染下微生物功能基因组装以随机过程为主，高污染下则转向确定性选择。

功能基因组成聚类（PCoA）显示：M组和H组功能趋于收敛，表明污染压力筛选出核心代谢功能，冗余功能被淘汰。

碳循环代谢潜力变化

碳水化合物代谢：如磷酸戊糖途径、柠檬酸循环等在污染组显著下降；古菌途径（如M00580）在污染组显著上升，促进产甲烷作用。

ATP合成模块（如细胞色素c氧化酶、V/A型ATP酶）在污染组显著上升，表明微生物将更多能量投入应激响应。

碳降解酶（CAZymes）：特别是糖苷水解酶（GHs）在污染组显著下降，抑制有机质分解；但某些木质素、果胶分解酶上升，反映微生物优先分解易利用碳源。

氮、磷、硫循环变化

抗性基因：As、Cd、Cu、Zn、Pb抗性基因随污染显著上升，特别是砷外排泵（acr3、arsB） 和还原酶（arsC）。

铁代谢：铁载体合成与转运基因显著上升，用于螯合重金属并减轻氧化应激。

基因组精简：污染组MAGs的基因组大小、GC含量、蛋白编码基因数量均下降，体现能量节约策略。

DNA修复：与DNA损伤修复相关基因上升，应对重金属诱导的DNA损伤。

微生物适应机制

氮循环：反硝化功能基因（narG、nirK、nosZ等）显著上升，增加N₂O排放风险。

磷循环：有机磷矿化（phoD、phoA）和磷转运基因（pstA、ugpA）上升，增强磷获取能力。

硫循环：异化硫酸盐还原（dsrAB）和硫歧化途径上升，促进S²⁻生成，可沉淀重金属。

水平基因转移（HGT）驱动抗性基因传播

通过系统发育分析发现，acr3、zntA、cusB、cadD等抗性基因在不同门类微生物间存在HGT事件。

可移动遗传元件（MGEs）（如质粒、转座子、噬菌体）与抗性基因共定位在同一contig上，证实其为HGT的载体。

研究总结

相比常规短读长宏基因组，三代测序显著提升了MAGs的组装连续性和完整性，使得复杂HGT事件的直接解析成为可能。在环境土壤微生物研究中，除了宏基因组层面，扩增子测序也常常面临短读长分辨率不足的问题——常规V3–V4区测序往往只能鉴定到“属”水平，难以精准区分功能近缘的“种”。

借鉴这篇文章的成功经验，对于关注特定功能菌群精细分类的课题，可以采用三代全长16S rRNA基因（V1–V9区）扩增子测序，其覆盖近乎完整的16S序列，能够将大量微生物鉴定到“种”水平，显著提升群落解析的分辨率。

为什么三代全长扩增子，是发顶刊的必选技术？

分辨率拉满：覆盖全部9个V区，16S全长1.5–2 kb，ITS最长达4.5kb，种水平注释率60%–70%，远超二代10%–20%；

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超高准确率：PacBio HiFi测序精度99.9%+，数据稳定可重复；

适配全场景：土壤、水体、饮用水、肠道、极端环境、低生物量样本全覆盖。

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