引 言

天然水體是指被水覆蓋著的地球表面的自然綜合體，海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川等都是天然水體，水體不僅僅是單指水，還包括其中所含的各種物質(zhì)，如溶解物質(zhì)、懸浮物質(zhì)、水生生物及底質(zhì)等。正是由于天然水體的存在，從而使其能在自然界和人類(lèi)生活中發(fā)揮著巨大的作用，并成為決定人類(lèi)和自然環(huán)境的重要因素。天然水的化學(xué)成分，是指存在于水中各種元素的離子、分子、溶解和未溶解的氣體成分、天然和人工的同位素、各種有機(jī)化合物、活的或死的微生物（細(xì)菌）以及不同成分的機(jī)械物質(zhì)和膠體物質(zhì)等[1]。

水是生命之源，天然水體和人類(lèi)生活息息相關(guān)，天然水體作為人類(lèi)生活用水，娛樂(lè)的來(lái)源，其中的微生物與人體健康密切相關(guān)，本次的微信推文精選了三篇研究天然水體微生物的高分案例，希望能為各位感興趣的老師提供研究思路。

案例一

微生物多樣性揭露飲用水含水層中微生物群落的選擇性壓力——地球化學(xué)參數(shù)與微污染物的關(guān)系[2]

期刊：Environmental Pollution

影響因子：8.071

發(fā)表時(shí)間：2022.01.07

研究方法：16S rRNA測(cè)序（V1-V2）+功能基因qPCR （硝酸鹽還原功能基因nirS、nirK、nosZ以及硫酸鹽還原基因dsrB）

研究?jī)?nèi)容

地下水質(zhì)量對(duì)飲用水生產(chǎn)至關(guān)重要，但地下水資源正日益受到農(nóng)藥污染的威脅。由于殺蟲(chóng)劑經(jīng)常出現(xiàn)在微型污染地濃度下，它們對(duì)微生物來(lái)說(shuō)是沒(méi)有吸引力的碳源，通常會(huì)頑固地存在。探索用于飲用水生產(chǎn)的含水層中的微生物群落，是了解地下水中微污染物命運(yùn)的重要第一步。在這項(xiàng)研究中，調(diào)查了用于飲用水生產(chǎn)的含水層中地下水地球化學(xué)、殺蟲(chóng)劑脅迫和微生物群落之間的相互作用。首先，于荷蘭的兩口地下水監(jiān)測(cè)井采樣，同時(shí)在2014年、2015年和2016年進(jìn)行了采樣，并且在兩口井中，從13到54 m的五個(gè)離散深度對(duì)水進(jìn)行了采樣。為了研究上述科學(xué)問(wèn)題，使用16S rRNA基因測(cè)序和qPCR分析地球化學(xué)參數(shù)、農(nóng)藥濃度和微生物群落組成，其中，地下水地球化學(xué)在整個(gè)研究期間是穩(wěn)定的，農(nóng)藥在低濃度（μg L-1范圍）下分布不均勻。通過(guò)計(jì)算Alpha多樣性指數(shù)PD whole tree，發(fā)現(xiàn)各個(gè)采樣點(diǎn)間的數(shù)據(jù)相似，但是隨著采樣點(diǎn)深度加深而變大。來(lái)自同一口井和深度的樣品緊密地組合在一起，這意味著微生物群落在時(shí)間上是穩(wěn)定的（圖2），同時(shí)，所有的樣品形成三組，第一組：根據(jù)深度（來(lái)自兩口井的大于40米的樣本歸為一組）；第二組和第三組：井（來(lái)自小于40米的樣本分成兩個(gè)不同的組--每口井一個(gè)）分開(kāi)。地球化學(xué)參數(shù)和較小程度的農(nóng)藥污染對(duì)微生物群落產(chǎn)生了選擇壓力，樣品中的微生物群落尤其受到DOC、硝酸鹽、鐵（II）和硫酸鹽豐度的影響。兩口井中的微生物群落在較深的含水層中顯示出相似的組成，在那里抽水會(huì)導(dǎo)致水平流動(dòng)。這項(xiàng)研究提供了對(duì)塑造微生物群落組成的地下水參數(shù)的深入了解。這些信息有助于未來(lái)實(shí)施修復(fù)技術(shù)，以保證安全的飲用水生產(chǎn)。

圖2 采樣點(diǎn)微生物的PCA圖（基于unweighted Unifrac）

案例二

二代微生物多樣性發(fā)掘水文管理引起的環(huán)境和微生物變化的協(xié)同作用以及其對(duì)三峽水庫(kù)碳排放的影響 [3]

期刊：Science of the Total Environment

影響因子：7.963

發(fā)表時(shí)間：2022.01.29

研究方法：二代微生物多樣性（16S rRNA+18S rRNA測(cè)序）

研究?jī)?nèi)容

水文管理引起的環(huán)境和微生物變化對(duì)河流水庫(kù)碳排放的協(xié)同作用仍然未知。在此，我們調(diào)查了三峽水庫(kù)（TGR）地表水在一個(gè)完整的水文年度內(nèi)的生理化學(xué)參數(shù)、溶解性有機(jī)物（DOM）的組成、碳通量（CH4和CO2）以及微生物群落。結(jié)果表明，水文管理明顯改變了三峽水庫(kù)水體的生理化學(xué)和DOM組成，并進(jìn)一步影響了微生物群落的組成和功能，微生物群落的Alpha多樣性指數(shù)在TGR中顯示出明顯的季節(jié)性變化：在ASVs水平上，原核生物群落的Alpha多樣性指數(shù)在6月最高（對(duì)應(yīng)排水期最低水位145米），而真核生物群落的Alpha多樣性指數(shù)在9月最高（對(duì)應(yīng)蓄水期的開(kāi)始）。同時(shí)，TGR地區(qū)微生物群落的α多樣性在3月（蓄水結(jié)束前）和6月（排水期間）表現(xiàn)出明顯的空間差異：主流區(qū)原核生物的平均α多樣性指數(shù)高于支流區(qū)；3月，主流區(qū)真核生物群落的α多樣性高于支流區(qū)。排水期的DOM含量比蓄水期低得多，在蓄水期，DOM的腐殖化程度逐漸降低，而生物轉(zhuǎn)化程度比排水期有所提高，DOM的組成和水的pH值分別與CH4和CO2的通量表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。微生物群落的組成和功能在排水期和蓄水期之間有明顯的差異，大多數(shù)有差異的微生物類(lèi)群隸屬于參與碳循環(huán)的功能組，如甲烷營(yíng)養(yǎng)和光營(yíng)養(yǎng)，這與碳通量表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，CH4和CO2的通量可以分別由微生物功能與DOM組成和水的pH值的協(xié)同作用來(lái)解釋。這種協(xié)同效應(yīng)可能是觀察到的CH4通量的時(shí)間變化和CO2的空間變化的原因，也是TGR年碳排放量相對(duì)較低的原因?？傊?，由水文管理引起的環(huán)境和微生物變化的協(xié)同作用影響了河流水庫(kù)的碳排放。

圖3生理化學(xué)變量和微生物與TGR中CO2和CH4通量之間的相關(guān)性 A組和B組分別為生理化學(xué)變量和微生物

案例三

二代微生物多樣性助力優(yōu)化微生物群落指紋，確定河流-湖泊耦合系統(tǒng)中沉積物磷源的新見(jiàn)解 [4]

期刊：Environmental Research

影響因子：6.498

發(fā)表時(shí)間：2022.01.29

研究方法：16S rRNA測(cè)序（V3-V4）+SourceTracker確定磷元素來(lái)源及比例

研究?jī)?nèi)容

識(shí)別河湖耦合系統(tǒng)中的沉積物磷源是制定磷的優(yōu)先控制策略的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。由于沉積物中吸附的磷和微生物會(huì)隨著水動(dòng)力的變化而遷移，磷源特定的微生物群落“指紋”有助于確定主要的沉積物磷源，然而，微生物群落“指紋”的識(shí)別是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槲⑸镅萏婧秃雍到y(tǒng)的水文特征都會(huì)影響“指紋”的穩(wěn)定性。因此，本研究提供了一個(gè)優(yōu)化磷源特異性微生物群落“指紋”的框架，并試圖確定河湖耦合生態(tài)系統(tǒng)中沉積物磷的主要來(lái)源。梅梁湖是太湖中高度富營(yíng)養(yǎng)化的地區(qū)之一，那里的沉積物、細(xì)菌群落和磷有著密切的關(guān)系，通過(guò)分析微生物在水體中的連通性，構(gòu)建了一個(gè)微生物“指紋”候選數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)驗(yàn)在梅梁湖及其上游的三條河流采樣（18個(gè)樣點(diǎn)），通過(guò)對(duì)采樣點(diǎn)的水樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采樣點(diǎn)均是富營(yíng)養(yǎng)化的，而且湖底沉積物和河流沉積物的比較，表明流入河流的沉積物有很大的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)微生物和磷元素以及沉積物之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的沉積物、細(xì)菌群落和磷之間存在著密切的關(guān)系。微生物OUT之間的比較發(fā)現(xiàn)上游與湖泊共享的OTU比例高于下游與湖泊共享的比例，接下來(lái)比較上下游預(yù)測(cè)結(jié)果的差異，對(duì)與磷有關(guān)的細(xì)菌群落進(jìn)行了篩選和優(yōu)化，形成了穩(wěn)定的微生物群落“指紋”，其中包括Bacteroidia，Bacilli，Clostridi其他綱水平的物種?；趦?yōu)化后的磷源特異性微生物群落“指紋”的SourceTracker結(jié)果表明，梅梁湖的沉積物的主要磷源為梁溪河、武進(jìn)港河和東環(huán)堤河，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.59%至27.56%。根據(jù)綜合污染指數(shù)和水動(dòng)力條件，進(jìn)一步確認(rèn)了磷源的準(zhǔn)確性。本研究對(duì)如何提高微生物群落指紋的穩(wěn)定性提出了建議，并將有助于提高對(duì)應(yīng)用微生物源追蹤方法確定沉積物磷等非生物污染源的認(rèn)識(shí)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)分析顯示35個(gè)細(xì)菌群落在級(jí)別上（用圓圈表示）和8個(gè)不同的磷形式（用三角形表示）之間有很強(qiáng)的相關(guān)性

總 結(jié)

通過(guò)以上三篇文章，我們可以發(fā)現(xiàn)，自然水體微生物組研究往往與水文地理和理化性質(zhì)有關(guān)，其研究思路可大致歸納為：

（1）設(shè)置采樣地點(diǎn)；

（2）采樣地點(diǎn)理化性質(zhì)、水文地理記錄及調(diào)查；

（3）采樣樣品微生物多樣性數(shù)據(jù)分析；