联用宏病毒组和宏基因组解析污水处理厂病毒情况

研究背景

市政和农业废水具有高化学需氧量的特点，这种富营养环境赋存了丰富多样的微生物，包括原生生物、真菌、细菌、古菌、病毒。虽然大量研究广泛地探索了污水处理厂中细菌和古菌的多样性和基因组，但我们对其中病毒的认识仍然有限。高通量测序技术的进步推进了宏基因组测序在DNA水平上研究微生物群落的发展。病毒组研究方法在不断进展，重点在于基于特定研究目标和环境背景选择适当方法。尽管病毒组研究方法不断进步，但对NC和VPC两种方法获得的病毒组的差异仍认识不足。

主要结果

本研究揭示了不同污水处理厂中病毒的丰度和多样性的显著差异。VPC宏基因组数据中最丰富的病毒门是Cressdnaviricota，其平均相对丰度为56.9 ± 33.7%，而在NC宏基因组中Uroviricota更为普遍，平均丰度为40.8 ± 9.1%（图4B）。Cressdnaviricota包括病毒复制相关蛋白的环状单链DNA（CRESS-DNA）病毒，到目前为止包括2个纲（Arfiviricetes和Repensiviricetes）和11个科。

图1. 污水处理流程中病毒的多样性和相对丰度

本研究通过宏基因组分析，从样品中成功复原了2349个宏基因组组装基因组（MAGs），其中包括2277个细菌和72个古菌。在细菌门级分类中，多数些类群也与污水处理厂中绝大多数病毒感染事件相关。统计显示，平均每种病毒约感染1.1个宿主MAG。相反，每个MAG平均可被3.9种病毒感染，说明原核宿主常遭受多种噬菌体的共同侵染，这种多重感染可能显著影响宿主的进化轨迹和生态适应性。进一步分析发现，uroviricota门的噬菌体可跨多个宿主类群感染。在总微生物细胞组分中，病毒群落与原核生物间的关联性比在游离病毒颗粒组分中更为紧密。

图2. 污水处理系统中病毒-原核生物关联

研究表明cysH、phoD、dadA、queC、queD、queE、rfbB、cbhA、UGDH、cobS、metK、moeB、glmS、UXS1、DNMT1等AMGs在污水处理系统中表现出转录活性（图6A），意味着它们正在对宿主的代谢和微生物驱动的生物地球化学循环产生影响。queC、queD、queE和queF是维生素B9（叶酸）生物合成的关键基因，其中queC、queD、queE共存于Queuovirinae的代表性噬菌体重叠群（ID：A5_ne1399）。由于许多细菌或古菌不具备完整的维生素生物合成途径的所有基因，这些病毒AMGs的表达可能补偿了宿主的缺陷。这些病毒AMGs的活跃表达表明病毒在塑造微生物代谢和影响污水处理过程中扮演着积极的角色。

图3. 病毒携带的代表性辅助代谢基因（AMGs）

在本研究中，从这三个污水处理厂的宏基因组的MAGs中发现了753个ARGs。通过NC宏基因组学方法仅发现了29个由噬菌体携带的ARGs。29个由噬菌体携带的ARGs包括大环内酯类-林可酰胺类-链阳菌素类（12个ARGs）、四环素类（7个ARGs）、氨基糖苷类（6个ARGs）、氯霉素类（2个ARGs）、β-内酰胺类（1个ARG）和多重耐药类（1个ARG）。Uroviricota噬菌体是ARGs的主要携带者。

图4. 预测病毒基因组携带的抗生素抗性基因（ARGs）

研究结论

本研究联合应用VPC与NC宏基因组学方法阐明了污水处理厂中病毒组的特性。研究结果展示了每种方法在解译污水处理厂中的病毒群落及其功能内容方面的各自优势。NC宏基因组学方法揭示了更多的病毒重叠群（38,438个），包括较多数量的前噬菌体（1600个），但高质量病毒重叠群的比例较小（3.2%）。相比之下，VPC方法在恢复高质量病毒重叠群（43.6%）方面表现更好。VPC病毒组中，Cressdnaviricota等真核生物病毒占据主导地位，而在NC病毒组中Uroviricota噬菌体是优势群体。值得注意的是，VPC宏基因组揭示了污水处理系统内Asfarviridae和Adenoviridae等致病性病毒的流行。NC方法在探索污水处理厂病毒组的功能基因方面表现出显著优势，与VPC方法相比，其提供了更全面的辅助代谢基因和抗生素抗性基因信息。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120682.