【文献解读】2018-Science of the Total Environment长期高浓度重金属污染对黄河沉积物中微生物和

  • 2019-11-04 12:52:12
  • 94
  • 0

英文题目:Long-term and high-concentration heavy-metal contamination strongly influences the microbiome and functional genes in Yellow River sediments

中文题目:长期高浓度重金属污染对黄河沉积物中微生物和功能基因的影响

期刊名称:Science of the Total Environment

发表时间:2018.5.21

影响因子:4.9

测序项目:16S多样性V4区;宏基因组

测序平台:Illumina MiSeqHiSeq 2000

样本来源:黄河沉积物

 

英文摘要

The world is facing a hard battle against soil pollution such as heavy metals. Metagenome sequencing, 16S rRNA sequencing, and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) were used to examine microbial adaptation mechanism to contaminated sediments under natural conditions. Results showed that sediment from a tributary of the Yellow River, which was named Dongdagou River (DDG) supported less bacterial biomass and owned lower richness than sediment from Maqu (MQ), an uncontaminated site in the upper reaches of the Yellow River. Additionally, microbiome structures in these two sites were different. Metagenome sequencing and functional gene annotations revealed that sediment from DDG contains a larger number of genes related to DNA recombination, DNA damage repair, and heavy-metal resistance. KEGG pathway analysis indicated that the sediment of DDG contains a greater number of enzymes associated with heavy-metal resistance and reduction. Additionally, the bacterial phyla Proteobacteria, Bacteroidetes, and Firmicutes, which harbored a larger suite of metal-resistance genes, were found to be the core functional phyla in the contaminated sediments. Furthermore, sediment in DDG owned higher viral abundance, indicating virus-mediated heavy-metal resistance gene transfer might be an adaptation mechanism. In conclusion, microbiome of sediment from DDG has evolved into an integrated system resistant to long-term heavy-metal pollution.

 

摘要翻译

世界正面临着对抗重金属等土壤污染的艰苦斗争。用宏基因组测序、16S rRNA 测序和定量聚合酶链式反应 (qPCR) 对自然条件下受污染沉积物的微生物适应机制进行了研究。结果表明,相比黄河上游未被污染的区域玛曲 (MQ),黄河支流的东大沟 (DDG) 的沉积物中细菌生物量更少,丰富度更低。并且,这两个地点的微生物群落结构也不同。宏基因组测序和功能基因注释显示,DDG的沉积物中含有大量与DNA重组、DNA损伤修复和重金属抗性相关的基因。KEGG通路分析表明,DDG的沉积物中含有大量与重金属抗性和还原相关的酶。此外,变形菌门 (Proteobacteria)、拟杆菌门 (Bacteroidetes) 和厚壁菌门 (Firmicutes) 携带了更多的金属抗性基因, 被发现是污染沉积物中的核心功能门类。另外,DDG的沉积物中病毒的丰度更高,表明病毒介导的重金属抗性基因转移可能是一种适应机制。总之,DDG 沉积物中的微生物已经形成了一种抗长期重金属污染的综合体系。

 

研究背景:

由于大多数重金属对环境和人体具有长期毒理作用和有害影响,重金属污染已被认为是许多国家的一个重要的环境问题。其中,镉 (Cd)、砷 (As)、铅 (Pb)、汞 (Hg) 和铬 (Cr) 被认为是最有毒的物质,并可能破坏生态系统。例如镉可以干扰钙的新陈代谢,这可能导致肾脏和骨骼损伤。因此,国际原子能研究理事会将其列为1类人类致癌物。也广泛存在于土壤、水和空气中。摄取无机砷会导致胃肠道症状、心血管疾病和神经系统疾病。铅中毒有各种症状,包括头痛、腹痛和神经系统疾病。此外,无机铅可穿透儿童的血脑屏障。急性汞中毒可导致肺部损伤。由于这些有毒重金属主要通过食物链和饮用水被吸收,因此准确确定重金属浓度,并建立消除重金属污染的有效措施是十分重要和必要的。

白银 (中国甘肃省) 是一个矿产资源丰富的工业城市。自二十世纪六十年代以来,发展和建设出现了相当大的增长。1995年前,白银有色金属公司每年排放的含重金属的酸性废水达到约1900万吨。几十年来,当地的土壤、水和沉积物受到各种重金属的严重污染。金属磨房的废水直接流入黄河的支流东大沟 (DDG)。因此,38公里长的东大沟河是黄河上游最大的污染源,其中镉、汞含量超过国家二级标准。特别是镉污染的长期沉积背景值超过了1400-2200倍。数十年来, DDG沿岸的居民遭受重金属污染的有害影响。更严重的是对黄河下游环境的威胁。然而,关于长期重金属污染对自然生态系统的具体影响的认识还很有限。

自然环境中的微生物在维持土壤生物活性方面起着重要的作用,并且可降低污染物的水平。此外,微生物群落对环境变化也高度敏感。因此,它们被认为是当地环境条件的指标。然而,微生物群落的特征和不同微生物的特异性功能还不清楚。虽然已有研究试图阐明重金属污染土壤、地下水和沉积物中微生物群落多样性的变化,但是对长期重金属污染的黄河沉积物中微生物功能基因的变化的分析还很少。本研究中,我们推测那些适应长期重金属污染的本土微生物群落在重金属污染物的修复中起着关键作用。

本研究的主要目的是探讨微生物群落及其功能基因对重金属长期积累的反应。为此,我们对污染严重的东大沟河沉积物进行了分析,利用宏基因组测序、16S rRNA测序和qPCR确定沉积物中微生物的适应机制。本研究中采用的方法对重金属污染沉积物中微生物群落的分析具有广泛的应用价值。此外,我们的研究结果可为黄河支流东大沟河的有效治理提供建议。

 

实验设计:

本研究采集了甘肃省境内黄河流域3个地点的沉积物样本,分别是黄河上游的玛曲 (MQ)、重金属污染的黄河支流东大沟 (DDG) 以及MQDDG下游的白银 (BY)。对采集的3个样本进行16S多样性测序、宏基因组测序和qPCR检测,分析微生物群落组成结构和功能基因的差异。

 

实验结果:

1、样品的物理、化学和生物特性

三个沉积物样本的总有机碳 (TOC: 分别为18.882.32.3 mg/kg) pH(分别为6.36.6 6.8) 没有显著差异,但铬、镍、铜、锌、镉、铅、砷、汞、总氮 (TN) 和总磷 (TP)含量显著不同 (P < 0.05,表1)。MQTNTP含量高于DDGBY,而大多数重金属 (铜、锌、镉、铅、砷、汞) 的浓度在DDG中最高。

 

沉积物样本的理化和生物特征


216S rRNA测序与宏基因组测序概览

为了研究微生物群落的多样性和结构,采用Illumina高通量测序技术对16S rRNAs进行了测序。共获得60488条有效序列,其中MQDDGBY分别有106852642223381条序列,覆盖率分别达到0.96110.99270。9856。在0.97的相似度阈值下共得到1150OTUs (2)。


细菌群落α-多样性统计


宏基因组测序被用来检测DDGMQ之间的功能基因。共获得1730万条clean reads,组装后得到55263contig,包含了59341455个碱基。

基于Bray-Curtis距离的层级聚类树显示,每个样本的两种测序结果聚为一组,表明16S rRNA测序和宏基因组测序结果的相似性很高。此外,相比于MQDDG的微生物群落结构与BY更加类似 (1)







3、细菌群落的丰富度和多样性

根据多样性指数分析,BY的沉积物样本具有最高的丰富度和多样性,而DDGMQ的丰富度和多样性明显更低 (2)。

 

4、不同沉积物样本中的细菌群落结构

Circos图和热图显示了三个沉积物样本中细菌门的分布情况 (2a和图1)。Proteobacteria是所有样本中丰度最高的门类,BYDDG中丰度第二高的门是Bacteroidetes,而MQ中丰度第二高的门是Acidobacteria

DDGBY样本中的优势属分别是Thauera (13.96%) Hydrogenophaga (9.79%),它们都属于Proteobacteria,而MQ的优势属是norank subgroup-6 of Acidobacteria (19.85%)。三个样本中丰度第二高的属各不相同。相比BYMQDDG有更多的优势属 (2b)。



2 DDGBYMQ的沉积物样本在门 (a) 和属 (b) 水平的组成和丰度。Circos图显示了样本与门/属的关系。


5、细菌群落和环境因子间的相关性

本研究评估了空气温度和十二种理化参数 (包括pH值、铬、镍、铜、锌、镉、铅、银、汞、TOCTP的含量) 对细菌群落的相对贡献。CCA分析中展示了贡献度较高的8种理化参数 (3),其中汞、镉、铅、铜、锌和砷等重金属与DDG样品呈正相关。环境指标与菌群门的相关性结果表明,重金属指标与ProteobacteriaCyanobacteriaTA06TenericutesFirmicutesBacteroidetes正相关,而与VerrucomicrobiaActinobacteriaChloroflexi等负相关。



微生物群落、环境因子和样本的CCA分析


6、基于宏基因组测序的菌群结构和功能注释

DDG中,96.27% OTUs为细菌,而在MQ中,细菌相对丰度为20。55%,比古菌低50%DDGMQ的病毒丰度差异很大,分别为2.23% 0.01% (4)

域水平的微生物群落结构bar

 


COG功能注释结果表明,DDG中总共预测到的功能基因数量比MQ高五倍。与DDG相比,MQ的功能基因一般与发育和繁殖相关,如翻译、核糖体结构和生物合成 (11。89%)、能量产生和转换 (10.5%)、氨基酸运输和代谢 (9.71%)。与此相反,DDG中的基因功能与 DNA复制、重组和修复 (18.67%)、无机铁转运和代谢 (9.37%) 有密切联系 (5)KEGG功能注释结果表明,DDG中六种参与重金属抵抗或还原的酶较丰富 (6a)DDG中有12个菌门携带了重金属抗性/还原基因,其中ProteobacteriaBacteroidetesFirmicutes拥有的重金属抗性/还原基因种类和数量最多 (6b)。



5 DDGMQ样本的COG注释结果


 


6 (a) KEGG通路中参与重金属抵抗和还原的酶;(b) DDG样本中各菌门所携带的重金属抗性/还原基因的数量和变化





实验结论:

1、长期重金属污染明显减少了微生物的多样性和生物量,是影响污染地区微生物群落形成的最强驱动力。

2、随着长期高浓度的污染, 微生物群落通过获得重金属抗性和还原相关基因,已经形成了一种适应策略。其中变形菌门 (Proteobacteria)、拟杆菌门 (Bacteroidetes) 和厚壁菌门 (Firmicutes) 是污染沉积物中的核心功能门类。

3、重金属抗性基因可以通过病毒介导的水平基因转移在物种之间传播, 从而使整个群落获得抗性,这是微生物的又一种适应机制。



微生物与重金属耐受性或抗性的关系。左侧细胞 (浅蓝色) 代表MQ中的健康细菌,发挥正常功能。右侧细胞 (浅绿色) 显示了DDG长期高浓度重金属污染沉积物中细菌的重金属耐受性和抗性。

 

参考文献:

Chen Y, Jiang Y, Huang H, et al. Long-term and high-concentration heavy-metal contamination strongly influences the microbiome and functional genes in Yellow River sediments[J]. Science of The Total Environment, 2018, 637: 1400-1412.


评论

全部评论()
查看更多评论
汇盈彩票平台 彩票平台777 亿人彩票平台 新橙彩票平台 彩89彩票平台 6169彩票平台 928彩票平台 百易彩票平台 完美彩票平台 彩87彩票平台