河流生态系统中被忽视的小型微生物群

研究背景：

河流微生物对地球化学循环和污染物修复具有重要影响。高通量测序的发展为河流微生物组研究提供了线索，产生了大量有助于阐明微生物暗物质和微生物生态学的环境数据。基于宏基因组学的研究强调，在接收废物输入的河流中，抗生素耐药性和感染性病原体的广泛存在，加剧了不同栖息地类型的公共卫生问题。研究河流微生物组对揭示河流微生物的潜在价值具有重要意义，对于有效的河流管理和健康风险监测至关重要。

主要结果：

小型微生物组的浓度比大型微生物组低大约两个数量级，微生物群落组成不同，且多样性较低。大型组的DNA浓度范围为1.7 ng/mL至35.3 ng/mL，比小型组和胞外组高出约两个数量级（图1）。旱季DNA的浓度低于雨季，河流中共检测到87门2616属，两组共有1488属，特有属的丰度极低。大型组比小型组具有更高的微生物多样性，但微生物网络复杂性较低。在两组中，变形菌门和放线菌门都是主要的门，占微生物丰度的70.9%至99.3%。15个门在大型组中的丰度更高，4个门在小型组的丰度更高。在物种水平上，两组中共有2710个特有物种。其中一些属于Proteobacteria、Planctomycetota和Chloroflexota的物种在大型组中占主导地位，而一些属于Patescibacteria、Spirochaetota、Elusimicrobiota、Desulfobacterota_I和Firmicutes_C的物种在小型组中占优势。

图1 大型组和小型组之间微生物群落的变化

小型微生物组比大型微生物组富集了更多的病毒序列。小型组共检测到21646个vOTU，明显多于大型组（9204个vOTUs；图2）。共享vOTU占小型组vOTU的14.7%，占大型组vOTUs的38.7%，共享vOTU的总丰度低于特有vOTU的总丰度。组间和季节间病毒群落存在明显差异。88.9%的vOTU被鉴定为Duplodnaviria的Caudoviricetes，大部分vOTU未被鉴定为更低的分类地位。约90.0%的vOTU被分配了生活型，其中70.0%的vOTU属于裂解性病毒，其丰度显著高于温和性病毒。

图2 大型组和小型组之间病毒群落的变化

小型微生物组与大型微生物组具有不同的抗生素耐药风险。在河流中共检测到1087种ARG亚型，属于29种ARG类型（图3）。大型组总抗性组的绝对丰度显著高于小型组，但两组之间的相对丰度没有显著差异，小型组在某些河段的相对丰度明显更高。两组的抗性组的组成不同，小型组的组内差异较大。大型组检测到的ARG亚型数量多于小型组，其中两组共有364种亚型，仅在小型组中检测到的ARG亚型有140种。95个亚型的相对丰度存在组间差异，其中61个亚型在小型组中更为丰富。所有样品中共检出86种I类风险的ARG亚型，其中emrB、mdtE、mdtL、pmrF和tolC在小型组中富集。另外，8种ARG大类在小型组富集，而5种大类在大型组中富集。

图3 大型组和小型组之间抗性组的差异

主要结论：

本研究对河流生态系统中的小型和大型微生物组进行了比较研究。尽管DNA生物量较低，但小型含有许多独特的细菌种类，病毒序列是大型的两倍。小型微生物组还存在ARGs类型和I类风险ARG亚型的富集，以及特有ARG亚型检出情况，同时还可以获得五种关键耐药病原体基因组信息。总体而言，仅对大型微生物组进行测序将丢失河流生态系统的重要微生物组信息。未来的研究应引入新的预处理策略和微生物实验方法，将小型微生物组纳入河流生态系统研究。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122302