项目文章 | 多种金属(类)污染重塑土壤古菌群落结构和功能

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Multiple metal(loid) contamination reshaped the structure and function of soil archaeal community
多种金属(类)污染重塑土壤古菌群落结构和功能


作者：Shanqing Yang等
期刊：Journal of Hazardous Materials
时间：2022.05.20
影响因子：10.588
DOI：10.1016/j.jhazmat.2022.129186
一、文章摘要
古细菌是金属（类）污染生态系统生物地球化学循环的重要参与者，而金属污染对古细菌群落的结构和功能是影响仍知之甚少。我们在一个废弃污水水库的三个区域中研究了多种金属（类）污染对古细菌群落结构和功能的影响。发现与中度污染区（II区）和低污染区（III区）相比，高污染区（I区）具有较高的古细菌多样性，但栖息地生态位宽度较低。特别是与II区（1.93%）和III区（0.10%）相比，以潜在产甲烷菌为代表的耐金属物种在I区显著富集（累积相对丰度：32.24%），与其他区域相比，还观察到更紧密的分类群间连接和更高的网络复杂度（基于节点数、边缘数和程度）。同时，I区潜在的金属抗性和产甲烷功能丰度（分别为0.24%和9.24%）高于II区（0.08%和7.52%）和III区（0.01%和1.03%），表明古细菌对多金属（类）污染的功能适应性。更重要的是，六种生物可利用金属（类）（钛、锡、镍、铬、钴和锌）是古细菌群落变异的主要因素，金属（类）污染在古细菌群落结构中加强了确定性过程尤其是同质选择。
关键词：古菌群落、金属（类）污染、结构体、功能、同质选择
二、主要结果
1.金属（类）污染状态
就理化性质而言，I区的pH值最低（6.56±0.42），其次是II区（7.52±0.43）和III区(8.16±0.20)。同时，与区域II(0.16±0.09、397.5±36.9和18.89±17.47)和区域III(0.22±0.09382.2±175.6和12.80±9.17)相比，区域I(TN:0.63±0.28、TP:1072.8±533.2、OM:137.78±56.46)中的TN、TP和OM浓度也有所升高。对于金属（类）污染物，根据三个区域中金属（类）的总浓度和生物可利用形式，分别计算了污染因子(CF)和污染负荷指数（PLI）。大多数金属（类）的平均CF值，尤其是生物可利用形式，在I区达到最高值，表明其受多种金属（类）污染最严重（图1）。



图1. 三个采样区中每种生物可利用金属（loid）的污染因子（CFs）分布

2. 古细菌群落的多样性和组成
高通量测序共产生1389661个高质量古菌读数，然后以97%的相似性水平聚集到1065个OTUs中。在随机二次抽样（每个样本45286次读取）后，从18个样本中鉴定出1006个古细菌OTUs。Good’s coverages（范围从99.97%到99.99%）和稀疏曲线表明，当前的测序深度可以合理地代表废弃的唐河污水水库中的古细菌群落。进行主坐标分析(PCoA)和相似性分析（ANOSIM），以探索三个不同金属（类）污染水平区的古细菌群落组成。在三个采样区中发现了整个群落古细菌OTUs的显著分离（ANOSIM r=0.937，P<0.01）（图2a）。对于古细菌群落的α多样性，观察到的丰富度和Shannon多样性在I区显著高于II区和III区，表明α多样性随金属（类）污染的增加而增加（图2b）。与其他区域的样本相比， I区样本之间的Bray–Curtis差异也证实了古细菌群落的最高β多样性（图2c）。此外，就群落水平生境生态位宽度（Bcom）（图2d）而言，在I区确定了古细菌群落最窄的Bcom值，进一步表明废弃污水水库中不同金属（loid）污染水平之间的生态位差异。
古细菌群落主要由泉古菌门、广古菌门、热浆菌纲和盐杆菌纲组成。如图3a所示，与II区和III区相比，I区的广古菌门、热浆菌和盐杆菌的比例显著更高，而泉古菌门则呈现相反的趋势。此外确定了specialists and generalists来估计三个采样区的栖息地专业化程度（图3b）。



图2.（a）主坐标分析（PCoA）；（b）α多样性；（c） 基于Bray–Curtis相异的三个采样区的古细菌组成变化。（d） 三个采样区平均生境生态位宽度的分布



图3. 三个采样区在门、属和OTU水平上的古细菌群落比较

3. 古细菌群落共现网络
基于154个节点和2078条边构建了古细菌群落的元群落共生网络。基于模块性分析，发现了六个主要模块，占总节点的97.4%（图4a）。其中，模块1和模块6主要包括热浆菌群成员（模块1:66.7%，模块6:100%），模块2由未分类的门（61.1%）代表，模块0主要由泉古菌门（50.0%）主导（图4b）。使用来自每个站点的六个网络拓扑参数（节点和边数、度、图密度、图直径和聚类系数）来评估三个采样区中古细菌网络的复杂性（图4c）。节点数、边数和度在I区最高，其次是II区和III区，表明I区金属（类）浓度最高，古细菌网络的复杂性增加。



图4. 基于OTU之间成对Spearman相关性的古细菌群落的共现网络和拓扑特性

4. 关键影响因素和生态驱动过程
进行典型对应分析（CCA）以探讨金属（类）污染场地中的金属（类）、物理化学变量和空间变量对古细菌群落组成的影响。有11个因素与古细菌群落组成显著相关，其中PCNM1、Ti-Bio、Sn-Bio、pH（r2=2.81）、Ni-Bio、Co-Bio和OM被确定为主要影响因素。在物理化学距离、空间距离和金属距离上也观察到了古细菌群落相似性的显著距离衰减关系（图5a-c）。此外，变异划分结果表明，更大比例的古细菌群落变异可由纯金属变量解释，而不是纯物理化学或空间成分（图5d）。综上所述，生物可利用金属（loid）、物理化学参数和空间变量共同决定了这些复杂金属（类）污染场所古细菌群落的组合。
生态驱动因素（生物可利用金属、物理化学变量和空间变量）也在很大程度上决定了古细菌共生网络。具体而言，模块4和模块5的相对丰度（在高污染区I中丰富）与选定的生物可利用金属（类）和物化参数（pH除外）显著正相关，而模块0中则相反（在低污染区III中占主导地位）。由PCNM1表示的空间因子与模块4和模块5的相对丰度呈负相关，但与模块0的相对丰富度呈正相关。尤其是，pH是解释模块0和模块5，在所有位置的结构变化的最重要理化因子，而OM与模块4显著相关。同时Ti-bio为模块0和模块4在不同地点之间的相对丰度变化提供了解释，而Zn-bio与模块5的线性拟合关系最好。
基于pNST分析，由确定性过程解释的群落变化从I区的60.4%、II区的49.3%和III区的33.2%下降，与pNST结果一致，pNST结果从I区80.0%下降到II区50.0%，III区下降到44.4%（图5f-g）。同质选择被确定为I区最重要的过程，占群落变异的80.0%，而同质选择的优势分别被II区的生态漂移和III区的均匀扩散加生态漂移所取代。因此，随着金属污染程度的增加，确定性过程（以同质选择为代表）对构建古细菌群落的贡献逐渐增加。



图5. 群落相似性的距离衰减关系

5. 功能多样性和代谢途径的预测
通过使用PICRUSt2预测古细菌16 S rRNA基因序列，在这个金属（类）污染的系统中最终获得了7310个功能基因（KEGG Orthology）、381条途径、316个模块和2201个代谢酶基因。与古细菌群落结构一致，基于PCoA分析，三个采样区的功能组成也存在显著差异（图7a）。Mantel测试显示功能差异和分类差异之间存在显著正相关，表明功能和分类组成之间存在密切关系。此外，在I区观察到功能基因的Shannon多样性较高，其次是II区和III区（图7b）。我们重点研究了三个采样区中耐金属酶基因的分布、外源生物降解和代谢途径以及产甲烷模块。对于与金属抗性酶相关的功能基因，其总丰度在高污染区I达到最高，由于I区和II区的功能多样性大小相似，因此进一步比较了它们在功能组成方面的差异。发现区域I中的砷酸还原酶（谷胱甘肽还原酶）和组氨酸激酶比区域II中更丰富（图7c）。在外源生物降解和代谢途径中，一些污染物（如硝基甲苯、己内酰胺、氨基苯甲酸盐和乙苯）降解的基因丰度在金属（类）污染区I中最高，而十种代谢途径（如阿特拉津降解、甲苯降解和类固醇降解）显著富集在II区而不是I区（图7d）。对于产甲烷模块，发现I区四种产甲烷类型的丰度高于II区和III区。



图6.（a）主坐标分析（PCoA）；（b） 三个采样区之间的功能多样性（即Shannon指数）；（c）金属抗性酶基因；（d）外源生物降解和代谢途径丰度的差异

三、总结讨论
这项研究为理解多重金属污染对严重污染生态系统中古细菌群落结构和功能的影响提供了重要的启示。结果表明，与低污染区III相比，高污染区I的古细菌丰富度和Shannon多样性分别增加了约1.81倍和1.56倍，但栖息地生态位宽度减少了近1.21倍。同时，丰富的生物多样性导致污染最高的I区网络更为复杂，物种联系更为密切。此外金属（类）污染还促进了丰富的耐金属物种和丰富的抗金属基因。此外，在这种金属污染的环境中，多种重金属（类）污染加强了确定性过程（以同质选择为代表）对古细菌群落组装的贡献。这些发现表明，古菌有机体发展了典型的结构和功能生存策略，以适应混合金属（类）污染，因此可以鉴定和分离富集的抗金属微生物和相关代谢酶，用于科学和应用目的，旨在开发有效的生物修复技术来管理金属（类）污染环境。

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