基于宏基因组分箱技术揭示饮用水微生物组

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yaoyanfeiyu
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饮用水的生物安全对人群健康与公共卫生至关重要。然而,由于受到生物量低、检测手段的灵敏度等影响,相比自然水生系统和与人体相关系统,饮用水微生物组方面研究还处于起步阶段,尤其是人们在日常生活中直接接触到的家庭自来水中微生物组潜在的致病菌和功能特征尚不明确。为了全面解析饮用水微生物组,本研究利用宏基因组组装和分箱策略,较为全面且系统地分析了116个取自全球范围内九个国家或地区的46个城市的用户终端饮用水样本,重构了859个高质量的饮用水微生物宏基因组组装基因组(MAGs),共覆盖了27个细菌门和2个古菌门。在饮用水微生物组中主要的5个门分别是变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、柏氏杆菌和浮游菌门。在此基础上,本研究进一步探索了用户终端饮用水中潜在致病菌和全程氨氧化微生物(comammox)的分布类型及在寡营养环境条件下饮用水中复杂微生物的功能代谢过程。主要得出以下结论:(1)饮用水中细菌的潜在致病性与耐药风险性评估:从859个高质量微生物基因组中共鉴定出58个MAGs携带抗生素抗性基因(ARGs;6.8%),共包括13种ARGs类型和74种ARGs亚型。在饮用水基因组中变形菌门更频繁地携带ARGs。其中,携带ARGs的MAGs甲基杆菌属(Methylobacterium)和分支杆菌属(Mycobacterium)在所有样本中的平均相对丰度最高,分别为0.39%和0.30%。此外,还鉴定出42个MAGs携带毒力因子基因(VFGs;4.9%),共包括16种VFs类型和42种VFs亚型。值得关注的是,从饮用水样本中鉴定出19个潜在的致病性MAGs,属于6个不同的属。其中,潜在致病性分枝杆菌(基因组)广泛地分布于九个国家或地区中且在所有样本中平均相对丰度最高(2.2%)。此外,19个致病性MAGs中共有11个携带ARGs,其中,有5个MAGs编码了含ARGs的可移动遗传元件(MGEs),这可能会增加ARGs发生水平基因转移的风险,从而增加细菌耐药性传播风险。(2)从饮用水微生物宏基因组中共获得四个comammox硝化螺菌属(Nitrospira)MAGs,分布于中国海南和新加坡。根据基因组完整度及其编码的代谢通路完整性,对筛选的comammox Nitrospira MAGs(TW-bin49、TWbin111和TW-bin655)解析其代谢潜能。结果表明与典型的Nitrospira物种相比,新重构的饮用水comammox Nitrospira基因组的核心特征除了具有很强的保守性之外,混合营养生长的潜能、编码活性氧应激以及亚砷酸盐还原相关基因可能有利于其在寡营养的饮用水水系统环境的生存。(3)为了探究饮用水微生物组的功能代谢特征,对859个MAGs进行代谢通路注释,结果表明在本研究涉及的九个主要代谢模块中,属于变形菌门(9个)的核心MAGs编码的功能多样性最高,其次是放线菌门(7个)和浮游菌门(5个)。基于碳水化合物酶的注释结果表明,在参与碳水化合物代谢的六个功能模块中糖基转移酶类(GTs)和糖苷水解酶类(GHs)均被所有的MAGs携带,其中编码GTs的个数最多(占所有酶类的49.69%)。进一步发现,MAGs携带的碳水化合物活性酶家族数量最多的是GT2和GT4并且这两个家族含有多种类型的糖基转移酶。此外,饮用水中携带最多碳水化合物活性酶家族的MAGs主要属于变形菌门,其次是放线菌门和拟杆菌门。本研究拓宽了我们对饮用水微生物组的认识,为未来饮用水微生物监测实现分析程序的标准化提供参考价值。
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