修伟：地下水宏基因组解析生物地球化学相互作用网络中砷的迁移（EST，2022）

发布时间：2022-08-17     作者：    阅读：32次

       高砷(As)地下水（总As大于10 μg/L）使全世界数百万人面临严重健康风险。含水层微生物群落与相关的水文地球化学过程之间的相互作用是理解天然地下水系统中砷行为的关键。微生物介导的含砷铁氧化物（含水层沉积物中的主要 As 来源）的还原溶解是最普遍接受的地下水砷富集机制。天然地下水系统中多种潜在微生物氧化铁还原过程的电子供体的共存（包括有机物，单质硫，铵根和甲烷等），表明地下水As迁移与C、N、S和Fe的生物地球化学循环密切相关。此外，参与相互关联的C-N-S-Fe-As循环的各种功能基因（以及编码每个功能基因的微生物的高度多样性）显着增加了天然地下水系统中相互关联的生物地球化学网络的复杂性。目前对高砷地下水系统中复杂的相互关联的生物地球化学网络的了解主要基于16S rRNA基因序列和针对可能参与相互关联的C-N-S-Fe-As循环的有限数量的功能基因定量PCR分析。相比之下，宏基因组学可以为生物体生成一套全面的草图甚至是完整的基因组，而不依赖于实验室分离，可以潜在地提供对关键生物地球化学过程的关键水平的理解。然而，使用综合网络方法分析宏基因组测序数据集，以识别沿地下水流动路径上控制As迁移的生物地球化学反应网络研究尚未报道，这大大限制了对地下水As富集的关键生物地球化学过程之间微妙相互作用关系的认识。

 因此，针对上述科学问题，我院修伟副研究员和水资源与环境学院郭华明教授，选取典型高砷地下水盆地-内蒙古河套盆地为研究对象，以宏基因组分析微生物相互作用网络，确定了地下水水流方向上游氧化性低砷的冲洪积扇区微生物Fe(II)氧化（硫氰苷编码）和异化硝酸盐还原（由napABC编码）在固定As中的重要性。然而，在地下水水流方向下游还原性高砷平原区，微生物 Fe(III)还原（由omcS编码）和As(V)解毒还原（由arsC编码）丰度较高是促进地下水砷富集的关键。与铵氧化相关的基因（hzsABC和hdh）也与Fe(III)还原基因（omcS）呈正相关，这可能表明氨氧化耦合的铁还原过程（Feammox）也是驱动As迁移中关键过程之一。因此，本研究阐明了使用基因组测序工具剖析复杂的生物地球化学系统巨大潜力，并扩展了地下水砷富集关键过程的生物地球化学概念模型。

图1 地下水流向上砷富集关键过程的生物地球化学概念模型

图2 丰度超过0.01%的宏基因组OTU的网络分析（Spearman 相关性r > |0.6| 和ρ < 0.05）

图 4. 优质宏基因组组装基因组 (MAG) 分析：(a)优质细菌MAG和(b)优质古细菌MAG。与推定的基石分类群相同的属相关的MAG标记为红色。

图 6. 甲烷-N-S-Fe-As 循环的宏基因组分析。热图显示了来自近端扇形、过渡区和平原的地下水样本中每个基因的平均丰度的变化。热图下方的左右数字分别表示每个基因的平均丰度和编码该基因的优质 MAG 的总数。

上述研究成果发表在环境科学与工程领域国际顶级刊物《Environmental Science & Technology》上：Wei Xiu（第一作者）, Min Wu（第一作者）,  Sophie L. Nixon, Jonathan R. Lloyd, Naji M. Bassil, Ruixuan Gai, Tianjing Zhang, Zhan Su, and Huaming Guo*（通讯作者）. Genome-Resolved  Metagenomic Analysis of Groundwater: Insights into Arsenic Mobilization in Biogeochemical Interaction Networks. Environmental Science & Technology, 2022, 56, 14, 10105–10119

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c02623