汉江流域上游污水处理厂中微生物多样性及PICRUSt功能预测分析

汉江流域上游污水排放是南水北调中线工程供水水质的主要威胁之一,以微生物为功能主体的处理工艺的精准调控和优化决定污水处理厂(Wastewaster Treatment Plants,WWTPs)的稳定运行和出水水质,但汉江流域上游WWTPs中微生物多样性及功能尚未清楚。利用高通量测序技术探究汉江流域上游WWTPs中微生物多样性和结构,利用PICRUSt功能预测分析微生物功能。结果表明,微生物组成优势门为Proteobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes、Chloroflexi和Acidobacteria;构成活性污泥菌胶团的属为Comamonadaceae、Flavobacterium、Acinetobacter和Zoogloea;参与脱氮除磷的属有Anaerolineaceae、Sphingobacteriales、Xanthomonadaceae、Nitrosomonas、Nitrospira、Pseudomonas、Thauera、Terrimonas、Thiobacillus、Acinetobacter、Flavobacterium、Dechloromonas和Saprospiraceae。WWTPs活性污泥微生物主要涉及氨基酸代谢、膜转运和碳水化合物代谢等20个主要功能,表现出功能上的多样性,大部分预测功能基因占比相近。

丹江口库区库滨带植被土壤细菌群落多样性及PICRUSt功能预测分析

微生物是土壤元素生物地球化学循环的主要驱动力,目前库滨带植物截留和消减污染物质过程中细菌群落及其功能研究尚未清楚.本研究选取适宜丹江口库区库滨带生长的4种典型植物(草本植物香根草、芦苇、乔木植物杜梨和灌木植物假奓包叶),采用16S r DNA Miseq高通量测序技术研究根际细菌群落组成,发现其主要由变形菌门、拟杆菌门、放线菌门等31个门、343个属的细菌组成,表现出群落组成的丰富性.细菌群落分析表明香根草和芦苇细菌群落结构较为相似,但和杜梨细菌群落结构差异最大.PICRUSt功能预测分析表明,库滨带植物根际细菌主要涉及次生产物代谢的生物合成、转录、多糖生物合成和代谢、细胞生长和死亡等38个子功能,表现出功能上的丰富性.库滨带植物根际细菌代谢能力整体趋势为假奓包叶>芦苇>香根草>杜梨.本研究初步探讨了丹江口库区库滨带不同植物根际细菌群落和功能,为丹江口水库库滨带植被构建及其水环境保护提供了参考依据.

施肥措施对滇中植烟土壤细菌群落结构和功能的影响

为明确施肥措施对植烟土壤细菌群落结构和功能的影响,应用MiSeq高通量测序技术研究了烟田不同施肥措施[不施肥(CK)、有机肥(OM)、有机肥和化肥(OM+NPK)、化肥(NPK)]条件下土壤细菌群落多样性和组成的变化,并结合PICRUSt分析了土壤细菌功能基因相对丰度的变化特征。结果表明:①不同施肥措施条件下土壤细菌群落多样性和丰富度差异不显著;优势菌门主要为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),约占总丰度的64.87%~68.51%;3种施肥处理土壤变形菌门、放线菌门的相对丰度均增加,酸杆菌门、绿弯菌门(Chloroflexi)、疣微菌门(Verrucomicrobia)的相对丰度降低。②共获得了6类一级功能和41类二级功能,一级功能中代谢为细菌群落最主要的功能;有机肥与化肥混施可显著降低细菌的膜运输、萜类化合物和聚酮化合物代谢的功能基因相对丰度,翻译、聚糖生物合成和代谢、复制和修复、细胞运动的功能基因相对丰度增加。③土壤细菌群落结构主要受有机碳、全磷、有效磷、碱解氮的影响。其中,碱解氮和有效磷是影响细菌功能的主要因子。因此,不同施肥措施条件对植烟土壤细菌α多样性无显著影响,但能显著改变细菌群落组成,进而影响土壤细菌功能基因的相对丰度。合理调控施肥种类、降低化肥施用比例有助于改善滇中植烟土壤的微生态环境。

利用Illumina MiSeq测序平台分析肉鸡盲肠微生物多样性

为对肉鸡盲肠微生物的多样性进行探索,选取15只饲养在相同条件下的科宝-500肉鸡,利用Illumina MiSeq测序平台与Qiime等16srRNA序列分析工具在22日龄时采集盲肠内容物进行研究。结果显示:1)测序共获得359 158条有效序列与3 210个OTU,并且由稀释曲线可以证明此次测序结果比较全面的覆盖了肉鸡盲肠微生物群落。2)各样品菌群之间存在差异,得到序列的数量以及菌群多样性差别较大。3)通过核心菌群分析可知,4个共享菌群在门水平上分别为:拟杆菌门Bacteroidetes(70.0%±12.1%)、厚壁菌门Firmicutes(25.4%±11.2%)、变形菌门Proteobacteria(4.3%±3.7%)和蓝菌门Cyanobacteria(0.3%±0.5%)。4)有益菌群如乳酸杆菌属Lactobacillus、双歧杆菌属Bifidobacterium虽然存在于盲肠微生物中,但相对丰度不高。5)PICRUSt分析盲肠菌群对应的基因功能发现:功能转运、嘌呤代谢、DNA修复重组蛋白、氧化磷酸化和甲烷代谢等基因功能丰度最高。由此可见,个体差异虽然对肉鸡盲肠微生物结构影响较大,但是仍然存在不少共性。

半滑舌鳎循环水养殖系统中生物滤池细菌多样性及功能预测分析

生物滤池中生物膜细菌群落是循环水养殖系统水处理的重要组成部分,目前关于半滑舌鳎海水循环水系统生物滤池生物膜细菌群落和功能研究鲜见报道。本研究于2019年4月对海水循环水养殖系统3级生物滤池中水体和生物膜进行采样,采用高通量测序技术对其群落组成进行了研究分析,结果表明生物滤池细菌群落主要由变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)、蓝藻细菌门(Cyanobacteria)等27个门组成,具有丰富的群落组成,生物膜和养殖水体样品细菌群落结构有所差异,不同生物滤池中生物膜细菌群落结构有较大差异;生物膜与水体中的浮霉菌门细菌存在显著差异,且在生物膜上发现有5.6%~11.7%的浮霉菌门细菌,推断其可能进行硝化作用。PICRUSt功能预测分析表明生物膜上细菌主要涉及代谢、遗传信息处理和环境信息处理等6类生物代谢通路,各级生物滤池生物膜细菌群落功能有所差异,所有样品均发现有氮代谢功能(Nitrotoluene degradation)的基因。本研究从细菌群落组成、细菌群落多样性及功能预测等角度初步分析了海水循环水系统3级生物滤池生物膜的差异,为循环水系统高效运行提供了参考依据。

高密度聚乙烯微塑料与氯嘧磺隆对大豆生长和根际细菌群落的复合胁迫效应

随着我国农业的大力发展,塑料地膜和农药被广泛投入到农业生产中,而塑料地膜降解形成的微塑料和农药在土壤中累积也带来诸多环境问题.目前微塑料与农药单一作用的环境生物学效应已有报道,但两者复合胁迫对作物生长和根际土壤细菌群落的影响研究较少.因此,设计高密度聚乙烯微塑料(HDPE,500目)与磺酰脲类除草剂代表品种氯嘧磺隆共处理,研究其对大豆生长的影响,并通过高通量测序技术、互作网络和PICRUSt2功能分析,探究HDPE和氯嘧磺隆复合胁迫对大豆根际土壤细菌群落多样性、结构组成、菌群网络和土壤功能的影响,阐明HDPE和氯嘧磺隆对大豆的复合毒性.结果表明1%HDPE处理延长氯嘧磺隆在土壤中的半衰期(由11.5 d升至14.3 d),并且HDPE和氯嘧磺隆复合胁迫较单一污染物对大豆生长的影响更为明显.HiSeq 2500测序表明复合胁迫下的大豆根际细菌群落由20个门、312个属组成,门和属的组成数量显著少于对照和单一处理,并降低具有潜在生物防治特性、植物促生特性等功能菌属的相对丰度(如Nocardioides和Sphingomonas等).Alpha多样性表明复合胁迫显著降低大豆根际细菌群落的丰富度与多样性,Beta多样性则表明复合胁迫显著改变大豆根际细菌群落结构.组间样品LEfSe和PICRUSt2功能分析表明复合胁迫调控根际细菌群落的优势菌群,并减弱土壤氨基酸代谢、能量代谢和脂质代谢等二级功能层的丰度占比.由属水平网络分析推测复合胁迫降低土壤细菌间的总连接数和网络密度,使网络结构简单化,维持网络稳定的重要菌群种类也发生变化.研究结果表明HDPE和氯嘧磺隆复合胁迫显著影响大豆生长,并改变大豆根际细菌群落结构、土壤功能和网络结构,相较于单一处理,复合胁迫的潜在危害更大.研究结果可为评价聚乙烯微塑料和氯嘧磺隆生态风险,以及污染土壤修复提供指导.

三峡库区消落带落羽杉人工林土壤细菌群落结构多样性及动态变化

消落带是连接陆地与水域的交错地带,具有重要的生态功能,其适生木本植物的种植对消落带土壤的生物地球化学循环起着重要的作用.为探究适生植物对三峡库区消落带环境的适应机制,采用高通量测序技术对消落带退水后适生植物落羽杉(Taxodium distichum)不同生长时期(T1:5月、T2:7月和T3:9月)的土壤细菌群落组成及多样性进行研究,同时采用PICRUSt2对细菌功能进行预测.结果表明,土壤pH值、硝态氮、铵态氮、土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶等理化指标随时间变化显著(P<0.05);土壤细菌多样性、丰富度和结构也随时间变化而变化,除Chao1以外,根际土壤细菌的α多样性均表现为:T1>T2>T3,非根际土壤细菌α多样性则表现为:T3>T1>T2.RDA分析表明,影响细菌群落的理化指标主要有土壤pH值、脲酶、铵态氮和硝态氮.所有土壤样本中共检测到细菌60门,其中以变形菌门和酸杆菌门为优势细菌门.根据PICRUSt2预测,代谢是落羽杉土壤细菌群落中普遍存在的基本功能,与C、N和P有关的各代谢途径存在一定的时间差异.以上研究结果有助于加深对三峡消落带植被修复后土壤微生物群落特征的认识.

植被恢复对刺萼龙葵根际土壤细菌群落结构与功能的影响

入侵植物可以改变入侵地土壤微生物群落,从而有助于其入侵,在前期研究中发现,植被恢复措施可有效控制刺萼龙葵(Solanum rostratum)的入侵,但植被恢复前后刺萼龙葵根际土壤细菌群落结构与功能尚未清楚.选取了前期研究中的2个植被组合:沙打旺(Astragalus adsurgens)+披碱草(Elymus dahuricus)+无芒雀麦(Bromus inermis)(T1);沙打旺+苇状羊茅(Festuca arundinacea)+冰草(Agropyron cristatum)+羊草(Leymus chinensis)(T2),并选取刺萼龙葵(SR)及本地植被(NR)作为对照,采用16S rDNA MiSeq高通量测序技术研究刺萼龙葵入侵及植被恢复后刺萼龙葵根际细菌群落组成,同时采用PICRUSt功能预测分析其功能.结果表明,刺萼龙葵入侵(SR)后Simpson指数和Chao1指数均高于本地植被(NP),但未达到显著水平,而植被恢复(T1和T2)后,Shannon指数和Chao1指数显著降低(P<0.05).刺萼龙葵(SR)显著降低了变形菌门(Proteobacteria)中的微枝形杆菌属(Microvirga)、斯科曼氏菌属(Skermanella)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)及酸杆菌门(Acidobacteria)的Bryobacter属相对丰度(P<0.05),而植被恢复后,这些菌属丰度也随之上升.RDA分析结果显示,土壤有机质、总氮、总磷、总钾和速效钾是影响细菌群落组成的重要因素.PICRUSt功能预测分析表明,刺萼龙葵入侵显著提高了氨基酸合成(biosynthesis of amino acids)、嘌呤代谢(purine metabolism)、嘧啶代谢(pyrimidine metabolism)、核糖体(ribosome)和氨酰-tRNA合成(aminoacyl-tRNA biosynthesis)等方面的功能,而植被恢复以后其相对丰度显著降低.本文探讨了刺萼龙葵入侵及植被恢复后根际细菌群落和功能,为刺萼龙葵的入侵机制及生态恢复提供理论依据.

镉胁迫对芒草根际细菌群落结构、共发生网络和功能的影响

芒草(Miscanthus)作为第二代能源植物,已用于重金属污染土壤修复研究,但目前该过程中土壤细菌群落组成和功能研究开展较少.以芒草品种南荻(M.saccariflorus)为研究对象,通过高通量测序结合分子生态网络分析和PICRUSt功能预测,分析研究100 mg·kg^(-1) Cd的胁迫对芒草根际细菌群落组成、共发生网络和功能的影响.MiSeq测序表明芒草根际细菌群落由32个门和425个属的细菌组成,包含鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、芽单胞菌属(Gemmatimonas)和链霉菌属(Streptomyces)等植物促生细菌(PGPR)种群.相似性分析(ANOSIM)和非参数多元方差分析(Adonis)表明,Cd的添加能显著影响芒草根际细菌群落组成,降低其群落多样性.同时分子生态网络分析表明Cd的添加降低了芒草根际细菌之间的相互作用,导致其网络结构更为简单;降低了网络缓冲环境变化的能力;提高了负相关连线数,使根际细菌物种之间的竞争关系更强;改变关键细菌组成.PICRUSt功能预测分析表明Cd的胁迫降低了芒草根际土壤细菌功能.本研究初步分析了芒草根际细菌群落组成及其对镉胁迫的响应,为后续调控芒草修复效率提供了基础.

芒草种植对土壤细菌群落结构和功能的影响

芒草作为第二代能源植物的代表,其生长过程中根际土壤细菌群落的结构与功能尚不清楚.本研究以种植5年的芒草(湘杂芒1号)为研究对象,选取裸地作为对照,采用16S rRNA基因Miseq测序技术研究其细菌群落组成,同时采用PICRUSt功能预测分析其功能.结果表明:芒草根际细菌由变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门等23个门、231个属的细菌组成,表现出群落组成的丰富性.细菌群落分析表明,种植湘杂芒1号改变了根际细菌群落结构,其细菌群落多样性低于裸地对照.PICRUSt功能预测分析表明,湘杂芒1号根际细菌主要涉及氨基酸运输和代谢、细胞壁/细胞膜/膜结构的生物合成、信号转导机制等24个基因功能家族,表现出功能上的丰富性,并有22个基因功能家族预测基因相对丰度高于裸地,表明种植湘杂芒1号提高了根际细菌功能.对氮、磷循环相关基因进行分析表明,种植湘杂芒1号改变了土壤氮、磷代谢能力.