飲用水安全一直備受全社會的關注，近些年來越來越多的新技術被應用到與之相關的研究中。其中，宏基因組(Metagenomics)技術備受矚目。宏基因組技術基于新一代高通量測序 (NGS)來檢測特定環(huán)境下微生物群落的基因組序列，通過群落微生物的基因組序列信息來描繪微生物的群落結構、優(yōu)/劣種群，并進一步探究微生物不同種群的功能，不同種群之間的關系，以及種群與環(huán)境之間的關系。

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研究框架

本研究從2020年10月到2021年1月對供水水庫進行跨季節(jié)取樣。研究人員在兩個取樣點-庫中（KZ）和取水口(QSK)-分別提取了泥樣（S=9）和水樣(W=17）兩種樣本，共獲取到26份樣本。隨后，將這26個樣本送往真邁生物使用GenoLab M平臺進行宏基因組測序和相關分析。

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水體樣本環(huán)境因子比較

該研究對所有水樣進行了環(huán)境因子檢測，包括水體的溫度、pH、含氧量、總磷、總氮、TLI等。檢測結果發(fā)現(xiàn)：

① 水樣的溫度分布在17.4-26.5之間（21.91?±?2.89）；

② 取水口附近的水富營養(yǎng)化指標（TLI）a高于庫中。

a：TLI是水體中常用的指標之一，數(shù)值越大代表水體富營養(yǎng)化程度越高，且水質越差。

Table1 水體樣本實驗室理化性質檢測結果表

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不同分組樣本的組間差異

隨后，研究人員進行了進行了PCA聚類分析，發(fā)現(xiàn)所有樣本可以根據(jù)取樣類型（水樣和泥樣）聚為兩組，兩組之間差異顯著。但是，按照取樣點劃分，取水口和庫中所取樣本組之間差別較小，Shannon指數(shù)^b的結果進一步驗證了這一結果。

b：Shannon指數(shù)是用來估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一。常用于反映物種多樣性的指數(shù)。Shannon值越大，說明物種群落多樣性越高。

圖1?PCA聚類分析和shannon指數(shù)對比

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微生物物種在種水平上的差異

該研究對物種豐度進行種水平的比較分析，發(fā)現(xiàn)水樣和泥樣的優(yōu)勢物種并不相同。泥樣中優(yōu)勢物種為錐囊藻（Dinobryon?sp_LO226KS）和分歧錐囊藻（Dinobryon divergens）；而水樣中優(yōu)勢物種為洋桿菌（Candidatus Fonsibacter ubiquis）和假魚腥藻（Pseudanabaena yagii）。

圖2 基于種水平的樣本物種豐度表

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環(huán)境因子分析

研究人員在分析Shannon指數(shù)時發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：?Shannon指數(shù)的變化趨勢與TLI的變化趨勢具有顯著的一致性。為了探究影響微生物群落不同物種組成的關鍵環(huán)境因子是否為TLI，研究人員進行了冗余分析（RDA）。結果表明，溫度和TLI可能是影響微生物群落不同物種組成的關鍵因子。研究人員同時根據(jù)相關性篩選了與環(huán)境因子顯著相關的Mark物種，為基于物種變化監(jiān)測TLI等環(huán)境因子提供新的方向。

圖3?TLI與香農(nóng)指數(shù)變化趨勢

圖4 RDA關鍵影響環(huán)境因子分析

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藻類毒素基因和抗生素耐藥性基因分布和潛在來源

藻類毒素是藻類在生長發(fā)育過程中產(chǎn)生的一種對人體有害的毒性物質，會嚴重影響水質。因此，本研究進一步分析了水庫中藻類毒素基因的來源和分布。結果發(fā)現(xiàn)柱孢藻毒素（CYN）相關的基因簇含量最高，其主要來源于擬柱胞藻（Cylindrospermopsis）、尖頭藻?（Raphidiopsis?）和隱球藻?（Aphanocapsa）三個藻類屬。前兩個藻類也是CYN毒素來源的潛在物種，而Aphanocapsa被首次報道可能含有CYN毒素的相關基因簇。

圖5?藻類毒素基因來源分析

抗生素的廣泛使用，導致了細菌的廣譜耐藥性。這對于人類的健康來說，是一個亟待解決的問題。水庫作為一種天然沉積場所，匯聚了各種來源的耐藥性細菌，是細菌的耐藥基因最完美的富集場所?；诖耍狙芯繉λ畮熘锌股啬退幮曰颍ˋRG）進行了深入挖掘，結果發(fā)現(xiàn)多藥耐藥基因是含量最高的ARG，而泥樣中ARG的構成比水樣中要復雜，這也預示著水庫更大的潛在風險。

圖6?抗生素耐藥基因相關性分析

基于上述分析，我們得出如下結論：

1、季節(jié)變化與采樣地點對水庫的微生物組成沒有顯著性的影響，而水體或者水底泥的樣本類型對微生物的組成影響較大；

2、TLI和溫度可能是影響水體微生物群落組成的關鍵環(huán)境因子；

3、構建了水庫的藻類毒素基因種類數(shù)據(jù)集，以及主要藻類毒素來源的關鍵物種，并首次發(fā)現(xiàn)了Aphanocapsa可能含有藻類毒素基因；

4、水庫中耐多藥抗生素耐藥基因簇的含量最高，且泥樣中抗生素相關性網(wǎng)絡更加復雜，提示更高的風險存在。