科学研究

修伟:基于DNA和RNA的新视角分析多个含水层中微生物作用下砷的迁移特征【EST,2021】
2021-11-22 阅读:2005

地下水中砷的富集(砷浓度>10μg/L)是一个世界性问题,给数百万人带来巨大的健康风险(包括皮肤癌和肺癌)。在中国河套盆地砷的富集是学者研究的热点,该盆地拥有高砷(浓度超过1000μg/L)、高硫酸盐(浓度高达1200mg/L)地下水。高砷地下水通常存在于冲积平原地带,被认为是As-Fe-N-S生物地球化学循环过程相互作用的结果。已有学者通过水质文地质学、生物地球化学、微生物学以及同位素学知识突出了含水层中土著微生物的作用。一般来说,微生物可能处于活跃、休眠的或死亡,只有活跃的微生物才显著与和/或影响生物地球化学过程。DNA 通常比易于降解的 RNA 在更长的时间范围内稳定,相比DNA,核糖体RNA (rRNA)分析经常用于识别环境样本中微生物的“活性”部分。因此,rRNA/rDNA 比率可用于确定分类单元水平的代谢活动。 生物地球化学过程严格控制着地下水中砷(As)的富集,最近,溶解硫酸盐已被证明对调节地下水 As 浓度至关重要。然而,到目前为止,对高砷高硫酸盐含水层中微生物群落的关键活性生物地球化学过程及其相关活性成分尚不清楚。

针对上述科学问题,我校水资源与环境学院郭华明教授和科学研究院修伟副研究员,选取典型高砷地下水盆地——内蒙古河套盆地为研究对象,以 (i) 表征不同深度沉积物和地下水中的大量和活跃微生物群落结构;(ii) 确定水文地球化学条件与沉积物和地下水中大量活跃微生物群落之间的关系;(iii) 确定具有控制含水层中砷行为潜力的关键活性 As-Fe-S-N 生物地球化学过程(和相关微生物)为研究目的,综合地下水-沉积物地球化学,微生物群落结构分析以及16S rRNA基因(rDNA)和相关的16S rRNA(rRNA)测序手段,提出了一个在高As和高硫酸盐含水层中,AsNSFe生物地球化学过程影响砷的动员的概念模型(图1)。研究取得的创新性认识如下:

1)使用 16S rRNA 基因 (rDNA) 和相关的 16S rRNA (rRNA) 测序发现沉积物和地下水活跃微生物群落的相对丰度呈正相关。

2)地下水活性微生物群落主要与铵和硫化物有关,而沉积物中活性微生物群落与硝酸盐(水可提取)高度相关。

3 在沉积物来源和地下水来源的活性微生物(rRNA/rDNA比值>1)中均发现了Fe(III)还原剂(由铵氧化诱导)和As(V)还原剂,突出了Fe(III)/As(V)还原促进As的迁移。

4)地下水和沉积物之间的活跃的硫循环影响As的迁移,沉积物来源的活性微生物可能参与厌氧黄铁矿氧化(由反硝化驱动),而地下水来源的微生物与硫歧化和硫酸盐还原有关。


图1 概念模型图


图2 地下水(a)和沉积物(b)中地球化学参数及其相关性




图3 相对丰度与相对转录(a-c和g-i)之间的Pearson相关性以及相对丰度与rRNA与 rDNA 的比值(d-f 和 j-l)之间的关系



图4 基于地下水 DNA(a)和 RNA(b)的微生物群落,以及基于沉积物 DNA(c)和 RNA(d)活性微生物属水平的Pearson相关性热图分析



图5 地下水(a)和沉积物(b)的功能预测分析


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, Tiantian Ke, Jonathan R. Lloyd, Jiaxing Shen, Naji M. Bassil, Hokyung Song, David A. Polya, Yi Zhao, and Huaming Guo (通讯作者). Understanding Microbial Arsenic-Mobilization in Multiple Aquifers: Insight from DNA and RNA Analyses. Environmental Science & Technology, 2021, 55(22), 15181-15195 DOI: 10.1021/acs.est.1c04117. [ IF 2020=9.028]

全文链接:https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04117