科研文献|了解多个含水层中微生物砷的迁移:DNA 和 RNA 分析的见解

研究介绍
地下水中砷(As)的自然富集(As浓度>10μg/L)对人类健康造成很大的威胁（包括皮肤癌和肺癌）。本篇文章主要研究对高溶解砷和硫酸盐含水层中关键的活性砷动员生物地球化学过程和相关微生物，确定地下水-沉积物地球化学、总的微生物群落和活跃的微生物群落及其在河套盆地西部地下水-沉积物微生物群中的潜在功能。本研究提供了一个扩展的活性As−N−S−Fe生物地球化学过程的整体概念模型，影响了As在高溶解的As和硫酸盐含水层中的动员。

材料与方法

1）采样：河套流域西部（41°0′9″ N and 106°57′59.2″ E）。从BH1井（多层井）采集了7个地下水样品；从bh2中采集7个新鲜沉积物样品，采样间隔约为1.0m。

2）测序：引物：338F_806R。序列聚类为操作分类单元(OTUs)

3）化学分析：
①地下水pH；ORP；和Fe(II)、铵、亚硝酸盐和硫化物浓度在原位测定，而在实验室分析子样品的微量元素和阳离子、阴离子、As种类和溶解有机碳(DOC)。
②湿沉积物样品通过扫描电镜(SEM)对表面形貌进行表征，并测量漫光谱反射率（530−520nm）、Fe（TFesed和Fe(II)）、水提取铵（氨提取物），硝酸盐（硝酸盐提取物）和硫酸盐（硫酸盐提取物）。对沉积物子样品进行自由干燥、分解和研磨（<200网），并用于x射线衍射光谱(XRD)、总有机碳（TOC）分析和酸消化元件分析（硝酸、HF和HClO4)。

4）数据分析：
①用Canocov.5.62进行了典型对应分析(CCA)和冗余分析(RDA)，检验约束条件（地球化学因子）对地下水和沉积物微生物群落结构的显著性。当响应数据的梯度大于4个SD单位时，采用CCA而不是RDA。
②圆图、热图和三元图分别由Rv.2.15.2使用circlize包 (v.0.4.8)、VEGAN包(v.2.0.7)和ggtern包(v.2.1.4)绘制。
③在SPSSv.18.0中确定了独立地球化学参数的皮尔逊相关性，临界显著性水平为0.05。共现网络(皮尔逊相关性；由BH方法调整的p值<0.05)、条柱状图和Wilcoxon秩和检验分别使用Cytoscapev3.7.2、GraphPadPrismv7.0、柱状图和STAMPv2.1.3进行检验。

5）数据下载：MG-RAST平台(项目号：mpg93996)。

结果与讨论

图1. 来自无封闭（红色）、半封闭（黄色）和封闭（绿色）含水层的地下水(a)和沉积物(b)样品中的地球化学参数的变化。三角形图表示每个参数之间的相关性。

Figure 2.相对丰度和相对转录（对数尺度）(−c和g−)之间的关系以及相对丰度和rRNA与rDNA的比率（对数尺度）(d−f和j−l)在地下水（−f）和封闭含水层沉积物（g−m）微生物群之间的关系。每个点代表一个OTU，并根据它们在所有样本中的相对丰度表示与前9个属相关的OTUs。我们分析了仅同时存在于rRNA和rDNA池中的OTUs。实线表示每个数据集拟合的线性回归模型，灰色阴影表示95%置信区间。垂直虚线和视界虚线分别划分了总微生物群中的相对丰度为0.5%，rRNA/rDNA比值为1。

Figure 3. 基于地下水DNA(a)和基于RNA的(b)微生物群落、沉积物基于DNA©和基于RNA的(d)微生物群落中聚物的地球化学参数和活性属的相关热图。

Figure 4. 地下水(a)和沉积物(b)微生物群落的功能预测分析(根据已发表的数据或编码的As−S−Fe−N代谢过程的特定蛋白，每个含水层的前50个活性属)。插入的图表显示了每个过程在地下水或沉积物样品中发生的每个过程的rRNA/rDNA比值。外部的三个锚点(rRNA/rDNA比值的热图)代表了在无封闭、半封闭和封闭的含水层中活跃的属。内部锚表示每个活性属（紫色细胞）的不同代谢过程。

Figure S7.基于Pearson相关性（至少在三个样本中活跃）的地下水变质(a)和泥沙来源活性属(b)的共现网络。彩色圆圈的直径表示地下水或沉积物样本的平均相对丰度（较高的相对丰度表示较大的圆圈），而彩色圆圈内的饼状图表示该属可能参与的特定的As-S-Fe-N代谢过程。圆圈之间的边缘的宽度表示相关性的程度（较高的相关性与较宽的边缘表示）。

Figure S9. 线性回归和皮尔逊相关分析：(a)水可提取的硝酸盐和硫化盐氧化物之间以及沉积物中可提取的硝酸盐和反硝化物之间；(b)总溶解的As与Feammox之间（左柱）以及总溶解的As与硫酸盐厌氧氨氧化物（苏拉氨氧化）之间以及铵和硫酸铵厌氧氨氧化（苏拉氨氧化物）之间（右柱）之间。

Figure S10.基于Wilcoxon秩和检验的地下水和沉积物微生物群落之间的属差异(95%置信区间，p<0.05)。活性(rRNA/rDNA>1)属以粗体列出。

END

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