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与纽约市原污水相关的原生生物多样性模式

来源:admin    发布时间:2020-08-21   阅读数:138

Patterns of protist diversity associated with raw sewage in New York City

与纽约市原污水相关的原生生物多样性模式

作者:Julia M. Maritz, Theresa A. Ten Eyck, S. Elisabeth Alter, Jane M. Carlton

期刊:ISME

时间:2019.06

影响因子:9.493


一、研究背景

原生动物是陆生和水生环境中营养链和营养循环的重要组成部分,也是人类和动物微生物组的成员,它们与宿主的关系从寄生到共生不等。原生动物还可以作为建筑环境和自然环境中,水质、污染物水平和生境变化的指标,包括人工生态系统,如废水处理设施中,它们在净化过程中发挥的作用。由于原生生物在许多环境过程中至关重要,这些群落可能在城市中发挥着重要的生态作用以及潜在的公共卫生后果,但对城市环境中的原生生物的广泛研究却很少。纽约市(NYC)约7400英里的下水道系统从大约800万人类居民以及动物、街道径流和地下水中收集人类排泄物,为研究这些微生物提供了一个理想的系统。

本研究使用了18S rRNA基因扩增子和宏基因组测序相结合的方法,提出了NYC 5个行政区第一个城市规模的未处理污水的原生生物清单。还将污水的原生生物群落组成与其它纽约环境(公园、绿地、雨水和沉积物中的土壤)的组成进行比较。


二、实验设计

1. 样品采集、处理和DNA提取:从14个NYC EDP污水处理厂17个采样点,4个时间段共采集68个污水样本,2个雨水样本和7个土壤样本,7个沉积物样本(Fig.1)用于提取DNA。

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2. 168个DNA用于18S rRNA基因V4和V9可变区(以下简称V4探针和V9探针)扩增、测序及生信分析(包括α和β多样性分析、统计学比较、Network等)。

3. 2014年11月采集的原始污水样本的DNA用于宏基因组测序,每个样本的平均测序深度在21.5 X 106±4.2 X 106 Paired-end Reads及生信分析。


三、实验结果

1. 原生生物群落代表性样本揭示环境之间的高度差异

将2014年11月收集的17个原始污水样本的18S rRNA V4和V9区测序结果与另外16个样本进行了比较。群落组成比较结果显示,土壤样品的α多样性显着高于所有其他环境。β多样性分析揭示了环境之间不同聚类模式,以及基于采集点每个环境样本的聚类(Fig.2a, c)。V4和V9区的数据均表明,环境是原生生物微生物群的主要解释变量,地理位置只是整个环境中原生生物群落结构的一个次要因素。

LefSe分析显示,虽然不同的环境中发现了相似的高级别的进化分支的分类群,但占主导地位的分类群不同。

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2. 污水原生生物群落以独立生存的分类群为主

计算了所有污水样本和2个18S rRNA可变区的taxonomic assignments。NYC污水包含了一个由独立生存的分类群占主导地位的多样化的原生生物群落(Fig.3),包括纤毛虫(ciliates),金藻类(chrysophytes),cercozoans和动基体类(kinetoplastids)。

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3. 污水的功能特征比分类特征更加一致

宏基因组测序数据分析结果显示,无论地理位置如何,大多数污水样本在功能上都相似(Fig.4)。污水中最丰富的途径是嘌呤核苷酸生物合成(Fig.4,紫色)和氨基酸生物合成(Fig.4,绿色)。在所有16个污水样品中共存在286个途径,占每个样品的功能组成的 97%以上。

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4. NYC污水中的原始生物群落的时间序列抽样显示组成上的季节性差异

β多样性分析显示污水样品有明显的季节性模式(Fig.5A,b)。这种模式在V4数据中尤为明显(Fig.5A)。秋季,春季和夏季样品间的变异性较高,而冬季样品的限制较多,这与浮游微生物真核生物研究的季节性结果相当。对所有14个污水处理厂和4个季节的核心污水群落进行的分析显示,来自这些核心OTU的大多数reads代表的分类群。其它不具有较高相对丰度的核心OTUs,与人类相关的分类群相对应,包括Entamoeba和Blastoystis(仅V9数据)和独立生活的变形虫(Vermaoeba Vermiformis),它们广泛存在于自然环境和建筑环境中,是人类病原体的共同宿主。

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5. 污水原生生物网络是稳健的

V4 networks比V9 networks包含更多的OTU,但是所有8个网络都没有分段,平均路径长度短,直径小,连接和集中度低(Table 1)。低值与节点之间的短距离,节点彼此的紧密接近以及网络内所有节点之间的这些属性的相对均匀分布一致,这表明网络对干扰是稳健的。

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四、结论与亮点

这项研究的结果表明,NYC污水是一种很好的模型系统,用于识别人类和环境微生物,可用于跟踪与公共健康相关的群落模式。该数据还提供了NYC原生生物多样性的基础,用于未来对城市环境中原生生物的调查。我们的研究只是原始污水中原生生物多样性(活的或死的)的简要说明,我们的数据受到公共数据库的原生生物序列数据的限制,因此建立“典型的”微生物特征将需要进一步更深的纵向深度的大规模研究。此外,需要额外的补充分析来确定测量的DNA中有多少来自活的原生生物。需要特定的分析来确定公共卫生重要的分类群及其致病潜力。此外,许多这些原生生物可以感染动物和人类,没有提供有关这些微生物来源的信息。与其它研究一起,这项工作有助于描述城市微生物组的特征,并提供对城市环境中人畜共患原生生物分布的一些了解。



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