杭州市政饮用水微生物群落的宏基因组测序研究

引言

随着宏基因组测序技术的发展，我们对市政饮用水（DW）中微生物群落的了解越来越深入。这些微生物群落包括细菌、古菌和病毒，它们的存在对公共卫生具有重要意义。特别是在COVID-19大流行期间，对DW中微生物群落的研究尤为重要。

研究背景

传统的培养依赖方法可以有效检测某些微生物，但对DW中整个微生物群落的全面组成，包括细菌、古菌和病毒，仍然知之甚少。宏基因组测序技术为我们提供了准确确定和分析DW中整个微生物群落的能力，从而全面了解DW物种多样性。

研究方法与结果

在这项研究中，研究人员发现，大多数可培养细菌和一些粪便指示菌，如大肠杆菌和铜绿假单胞菌，在使用培养依赖方法时在所有样本中都无法培养。然而，宏基因组分析显示，DW样本中的优势细菌种属于变形菌门（Proteobacteria）和浮霉菌门（Planctomycetes）。特别值得注意的是，所有水样本中甲基杆菌属（Methylobacterium）的丰度最高，其次是Sphingomonas、Gemmata和Azospirilum（图1）。

图1 不同DW样品中细菌门水平的聚类树。左侧为基于布雷-柯蒂斯距离的聚类树结构。右侧显示了每个样品在门水平上的微生物相对丰度分布。

研究还检测到了低水平的毒力相关因子，如Esx-5 VII型分泌系统（T7SS）和DevR/S，但只在一份样本中以低丰度鉴定出红霉素抗性基因erm(X)，这是一种rRNA甲基转移酶。在一些样本中，鉴定出与毒力和抗性基因相对应的宿主，包括Mycobacterium spp.（表1）。

表1 毒力因子及相应宿主。

微生物群落的抗性基因和病毒

在所有DW样本中，使用胶体金和实时逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）方法，轮状病毒、科萨奇病毒、人类肠道病毒和SARS-CoV-2均为阴性。然而，在一些DW样本中发现了编码新秩序的逆转录病毒（Ortervirales）和疱疹病毒的DNA（图2）。

图2 市自来水样本病毒多样性的Krona图。病毒种类组成的百分比显示为在LJF (A)、LW (B)、ZJX (C)、JY (D)和SYS (E)样品中观察到的生物体特异性k-mers的归一化比例。与病毒相关的门、纲、目的不同分类水平按从内循环到外循环的顺序显示。

微生物群落的代谢途径

整个微生物群落的代谢途径涉及细胞-细胞通讯和信号分泌（图3），有助于水中不同微生物群体之间的合作。

图3 水样中不同分类水平KEGG通路基因功能富集分析。(A)各水样在KEGG水平1下的相对基因丰度。(B) KEGG水平2的基因注释。(C) KEGG水平3下水样的信号和细胞过程、遗传信息处理和代谢。

研究意义

这项研究利用培养依赖方法和宏基因组测序结合生物信息学工具，提供了对杭州DW中微生物群落和代谢过程的深入见解。这些发现对于理解DW中的微生物多样性和代谢过程具有重要意义，尤其是在COVID-19大流行期间。

结论

通过对杭州市政饮用水中微生物群落的宏基因组测序研究，我们不仅能够更全面地了解DW中的微生物组成，还能够识别出潜在的抗性基因和病毒，这对于保障饮用水安全和公共卫生具有重要意义。

参考文献：

Lan W, Liu H, Weng R, et al. Microbial community of municipal drinking water in Hangzhou using metagenomic sequencing[J]. Environmental Pollution, 2024, 342: 123066.