汉江潜在致病菌群落物种组成及其分布特征_李治龙.pdf

301 国家自然科学基金(41907203)和中国博士后科学基金(2021T140010)资助 收稿日期:20220302;修回日期:20220923 北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,Vol.59,No.2(Mar.2023)doi:10.13209/j.0479-8023.2023.003 汉江潜在致病菌群落物种组成及其分布特征 李治龙1,2 孙立宇1,2 尚韵依1,2 赵妮3 薛泽环2 刘唐2,4,1.北京大学深圳研究生院环境与能源学院,深圳 518055;2.教育部水沙科学重点实验室,北京大学环境工程系,北京 100871;3.陕西师范大学化学化工学院,西安 710062;4.深圳大学化学与环境工程学院,深圳 518060;通信作者,E-mail: 摘要 为探究水体和沉积物潜在致病性细菌群落的物种组成及其分布特征,为汉江致病菌防控提供基础数据,于 2014 年春、秋两季,在汉江 6 个监测断面进行样品采集。基于 16S rRNA Illumina Miseq 高通量测序技术,利用 FAPROTAX 软件,对细菌群落进行致病性功能预测,共识别出 6 类致病菌,隶属 6 门 9 纲 22 目45 科 105 属。研究结果显示,变形菌门是汉江致病菌群落的主要组成物种,占比高达 96.56%,Methylopu-milus 和 Roseomonas 是属水平的优势物种。多样性分析结果表明沉积物中致病菌比水体中更丰富,浮游群落随季节的变化更显著。环境因子相关性分析结果指示底栖群落对环境因子变化更敏感。零模型分析结果揭示随机过程主导水体和沉积物致病菌群落的构建。关键词 汉江;致病性细菌;群落组成;分布特征;构建机制 Composition and Distribution Characteristics of Potential Pathogenic Bacterial Communities in Hanjiang River LI Zhilong1,2,SUN Liyu1,2,SHANG Yunyi1,2,ZHAO Ni3,XUE Zehuan2,LIU Tang2,4,1.School of Environment and Energy,Peking University Shenzhen Graduate School,Shenzhen 518055;2.Key Laboratory of Water and Sediment Sciences(MOE),Department of Environmental Engineering,Peking University,Beijing 100871;3.Chemistry and Chemical Engineering,Shaanxi Normal University School,Xian 710062;4.College of Chemistry Environmental Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060;Corresponding author,E-mail: Abstract In order to analyze the composition and distribution characteristics of potential pathogenic bacterial communities in water and sediment and provide basic data for the prevention and control of pathogenic bacteria in Hanjiang River,samples were collected from 7 monitoring sections of Hanjiang River in spring and autumn of 2014.Based on 16S rRNA Illumina MiSeq high-throughput sequencing technology,FAPROTAX software was used to predict the pathogenic bacteria communities,6 categories of pathogenic bacteria were identified,belonging to 6 phyla,9 classes,22 orders,45 families,105 genera.The results showed that Proteobacteria was the main component species of pathogenic bacteria community in Hanjiang River,accounting for 96.56%,Methylopumilus and Roseomonas were dominant species at the genus level.Diversity analysis showed that pathogens were more abundant in sediment than those in surface water,and there were more apparent differences between different seasons in the plankton community.Environmental factorsrelated analysis indicated that benthic communities were more sensitive to environmental factors.Zero model analysis revealed that random processes dominated the establishment ofpathogenic bacteria communities in surface water and sediment.In summary,high-throughput sequencing technology can comprehensively and deeply present microbial community information and has great potential in the detection of pathogenic bacteria.Key words Hanjiang River;pathogenic bacteria;community composition;influencing factors;build mechanism 北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 302 病原微生物是水环境中常见的污染物,具有易传染、易扩散的特性,严重地威胁着生态环境,对人体健康造成重大风险1,是影响水质指标的重要因素之一2。水生病原微生物可分为细菌、病毒和原生动物 3 种类型3。致病性细菌会引发动植物多种疾病,导致全球流行性疾病爆发。水体污染是致病菌生存和传播的主要途径。作为一种指示生物,大肠杆菌虽然可以用来检测水体病原微生物的污染情况4,但由于指示生物本身没有致病性,并且在数量上与病原微生物不存在明显的线性关系5,所以大肠杆菌等指示生物不足以客观地反映水体中致病菌的种类和数量,不能全面地评估水质质量6。因此,有必要使用高通量测序技术,对水环境中的致病菌展开全面、深入的研究,预防水体致病性细菌的污染,保护人类健康6。Zhou 等7选取珠江为研究区域,探究河流浮游态致病性细菌群落的多样性,结果显示动物寄生菌、人体致病菌和胞内寄生菌是细菌群落中具有致病特性的主要类群,珠江水体中的致病性细菌主要由变形菌门和衣原体门组成,在群落构建过程中随机过程起决定性作用。汉江是长江最大的支流,流经陕西、湖北两省,是长江经济带的重要组成部分。汉江是襄阳等城市生活用水和工农业用水的重要水源地,在国家水资源配置中发挥着重要作用。水质安全一直是备受关注的问题。然而,受自然条件和人为干扰的影响,汉江流域水污染现象日益突出。当前的研究集中在汉江上游区域底栖动物群落结构特征、水沙变化和污染物,以及中下游区域水华等其他方面8,针对汉江整体浮游和底栖致病菌群落的物种组成及其分布特征分析的研究鲜有报道,对致病菌群落结构的控制机制尚不清楚。本研究采用高通量测序技术,基于 16SrRNA 测序,分析汉江中下游河段不同介质和不同季节致病菌群落的物种组成及其分布特征,探究空间和环境变量对群落的影响,定量地评估各种生态过程在群落构建中的贡献。1 材料与方法 1.1 研究区域与样品采集 参照长江流域国家水文监测站的位置,设置 6个采样点(图 1)。分别在春季(2014 年 3 月)和秋季(2014 年 10 月)同步采集每个断面的水体和沉积物,共 24 个样品。在同一采样断面使用采泥器采集表层沉积物样品作为泥样,在河道三线九点使用采水器取水作为水体样品。根据不同季节和介质,将样品划分为 4 组:SS(春季底泥)、SW(春季水体)、FS(秋季底泥)、FW(秋季水体)。1.2 环境理化指标测定及 DNA 提取 对 24 个样品进行 DNA 提取:先使用 FastDNA SPIN Kit for Soil(MP Biomedicals,美国)试剂盒,按照配套说明书提取样品的 DNA;再使用 0.8%的琼脂糖凝胶进行电泳实验,检测 DNA 的完整性;BH:白河(32.83N,110.11E);DJKBX:丹江口坝下(32.51N,111.51E);TC:陶岔(32.66N,111.66E);XY:襄阳(32.03N,112.15E);XT:仙桃(30.38N,113.45E);JJZ:集家嘴(30.57N,114.23E)图 1 研究区域采样点 Fig.1 Sampling points in the study area 李治龙等 汉江潜在致病菌群落物种组成及其分布特征 303 最后利用 NanoDrop 分光光度计(NanoDrop Techno-logies Inc.,Wilmington,DE,USA)测定样品 DNA 的质量和浓度。春季白河沉积物(BH_SS)样品和秋季襄阳沉积物(XY_FS)样品多次提取 DNA 失败。对剩余 22 个 DNA 样品进行后续测序和数据分析。使用水质多功能检测仪,现场测定水体样品的水温(TW)、pH 和溶解氧(DO)。SO42(硫酸根浓度)、SS(悬浮物浓度)、CODMn(化学需氧量)、NO3(硝酸氮浓度)、TN(总氮)、NH3-N(氨氮)、TP(总磷)、THRD(硬 度)、F(氟 离 子)、Q(流 量)、COND(电导率)、BOD5(生化需氧量)和 Cl(氯离子)等均按国家标准方法测定。1.3 数据分析 为提高数据质量和分析结果的准确性,先使用FASTP9对原始数据进行过滤。借助 QIIME2(ver-sion 2021.8)10软件,用 Deblur 方法对原始数据进行去噪,聚类后获得 12317 个 ASVs。基于 SILVA 数据库11,使用 RDP classifier 进行物种注释9,12。FAPROTAX(Functional Annotation of Prokaryotic Taxa)13是一个对原核生物进行功能注释的软件,使用该软件对细菌群落进行致病性功能(如动物寄生菌、人体致病菌、肺炎菌、腹泻菌、医源性人体致病菌和胞内寄生菌等)预测。某些致病菌可能兼具多种致病性功能,提取至少具备一种潜在致病性功能的 ASVs,组建群落进行后续分析。