Exploring bacterial pathogen community dynamics in freshwater beach sediments: A tale of two lakes  

探索淡水海灘沉積物中細(xì)菌病原體群落動(dòng)態(tài)：一個(gè)關(guān)于兩個(gè)湖泊的故事  

來(lái)源：Environmental Microbiology, Volume 22, 2020, Pages 568-583  

《環(huán)境微生物學(xué)》，第22卷，2020年，第568-583頁(yè)  

 

摘要

概述了淡水生態(tài)系統(tǒng)中病原細(xì)菌的健康風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)水質(zhì)評(píng)估僅量化水柱中的指示菌大腸桿菌，卻忽略了物理和地球化學(xué)因素以及沉積物的貢獻(xiàn)。本研究使用高通量測(cè)序技術(shù)調(diào)查了加拿大安大略省南部四個(gè)公共淡水海灘的沉積物微生物群落，分析群落結(jié)構(gòu)、功能和基因表達(dá)與地理特征的關(guān)系。結(jié)果表明，在低能量環(huán)境中，沉積物-水界面處的海灘沉積物可能成為細(xì)菌污染的潛在來(lái)源，尤其在沉積物顆粒小而緊密的環(huán)境中；盡管未檢測(cè)到病原體，但檢測(cè)到病原轉(zhuǎn)錄本表達(dá)，表明存在替代基因獲取途徑（如水平基因轉(zhuǎn)移）。病原性包括沙門氏菌毒力因子、百日咳相關(guān)基因和抗菌素耐藥性基因的表達(dá)。研究還提出了一個(gè)通用細(xì)菌病原體模型，以綜合理解微生物的協(xié)同過(guò)程。  

 

研究目的

旨在通過(guò)調(diào)查淡水海灘沉積物微生物群落的結(jié)構(gòu)、功能和基因表達(dá)，評(píng)估沉積物在細(xì)菌病原體動(dòng)態(tài)中的作用，并理解物理（如能量條件）和地球化學(xué)（如氧化還原梯度）因素如何影響病原體的存在和活動(dòng)，從而改進(jìn)對(duì)公共海灘健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，彌補(bǔ)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)僅關(guān)注水柱的不足。  

 

研究思路

1. 選擇四個(gè)公共淡水海灘（兩個(gè)在St. Clair湖，兩個(gè)在Erie湖），基于地理和物理特征（如能量水平）和歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)。  

2. 采集沉積物樣本，測(cè)量物理和地球化學(xué)參數(shù)（如粒度、有機(jī)碳、溶解氧剖面），并使用高通量測(cè)序技術(shù)分析DNA（分類學(xué)）和RNA（功能轉(zhuǎn)錄組）。  

3. 結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)（如大腸桿菌計(jì)數(shù)），分析微生物群落結(jié)構(gòu)、功能表達(dá)與沉積物特性的關(guān)聯(lián)。  

4. 識(shí)別病原基因表達(dá)，提出模型解釋病原體動(dòng)態(tài)，并討論其對(duì)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的意義。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 沉積物物理特性：包括粒度分布（D50值）、水分含量、總有機(jī)碳（TOC）和能量水平（高/低能量環(huán)境）。來(lái)自表1和表2。

研究意義：這些數(shù)據(jù)幫助解釋沉積物環(huán)境如何影響微生物群落，例如細(xì)顆粒沉積物在低能量環(huán)境中（如BR和KV）導(dǎo)致低孔隙度和陡峭氧化還原梯度，促進(jìn)病原體持久性，為理解細(xì)菌污染源提供物理基礎(chǔ)。  

 

 

2. 水柱參數(shù)：包括深度、溫度、電導(dǎo)率、總?cè)芙夤腆w、鹽度、溶解氧、pH、氧化還原電位、濁度、葉綠素a和藻藍(lán)蛋白。來(lái)自表1。

研究意義：提供水質(zhì)背景信息，關(guān)聯(lián)沉積物微生物活動(dòng)與環(huán)境因素（如養(yǎng)分可用性），幫助解釋不同海灘的功能差異（如Lake St. Clair海灘顯示更高能量生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換）。  

3. 沉積物-水界面溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh）剖面：使用丹麥Unisense電極測(cè)量DO和Eh在界面上的分布。來(lái)自圖2。

研究意義：這些數(shù)據(jù)揭示沉積物中的氧化還原條件（如BR和KV快速缺氧），證明低能量環(huán)境限制氧氣擴(kuò)散，影響微生物代謝路徑（如反硝化作用），并支持病原體在缺氧條件下的存活和活動(dòng)機(jī)制。  

 

4. 分類學(xué)數(shù)據(jù)：基于DNA的微生物群落相對(duì)豐度，包括主要門和潛在病原屬（如Escherichia-Shigella）。來(lái)自圖3。

研究意義：識(shí)別沉積物中微生物組成，顯示潛在病原體的存在但豐度低，強(qiáng)調(diào)僅靠分類學(xué)不足評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，需結(jié)合功能分析。  

 

5. 轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)：包括功能基因表達(dá)（如氮代謝、硫代謝）和病原基因表達(dá)（如沙門氏菌pipB2、百日咳相關(guān)基因）。來(lái)自圖5、圖6和圖7。

研究意義：顯示功能活動(dòng)（如高表達(dá)氮循環(huán)基因），直接證明病原基因（如毒力因子）的表達(dá)，表明病原潛力，并暗示水平基因轉(zhuǎn)移在環(huán)境中的發(fā)生，為健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供分子證據(jù)。  

 

 

 

 

結(jié)論

1. 低能量環(huán)境中（如沉積物顆粒小而緊密的BR和KV海灘），海灘沉積物是細(xì)菌污染的潛在來(lái)源，因?yàn)槲锢硖卣鳎ㄈ绲涂紫抖龋┐龠M(jìn)微生物持久性和活動(dòng)。  

2. 盡管分類學(xué)分析未檢出高豐度病原體，轉(zhuǎn)錄組學(xué)檢測(cè)到病原基因表達(dá)（如沙門氏菌毒力因子和百日咳相關(guān)基因），表明水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）可能使微生物獲得病原功能。  

3. 研究提出了一個(gè)通用細(xì)菌病原體模型，整合了微生物的協(xié)同過(guò)程（如氮代謝和病原基因表達(dá)），以理解病原體在沉積物環(huán)境中的動(dòng)態(tài)。  

4. 傳統(tǒng)水質(zhì)評(píng)估（僅關(guān)注水柱指示菌）不足以評(píng)估健康風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)結(jié)合沉積物特征、地球化學(xué)參數(shù)和功能基因表達(dá)進(jìn)行綜合評(píng)估，以改進(jìn)海灘管理策略。  

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

直接揭示了沉積物中的氧化還原梯度，證明低能量環(huán)境（如BR和KV）由于細(xì)顆粒導(dǎo)致對(duì)流和氧氣擴(kuò)散受限，快速形成缺氧條件，這影響微生物的代謝活動(dòng)（如促進(jìn)厭氧過(guò)程如反硝化）。例如，KV的陡峭DO梯度與高表達(dá)反硝化基因（nar/napB、norB）相關(guān)聯(lián)，支持了氮循環(huán)在病原體適應(yīng)中的作用。  

DO和Eh數(shù)據(jù)幫助解釋病原體存活機(jī)制：缺氧條件可能促進(jìn)某些病原體（如沙門氏菌）的毒力因子表達(dá)，因?yàn)樗鼈円蕾嘚O解毒路徑（如norV基因表達(dá)），這些數(shù)據(jù)提供了環(huán)境壓力（如低氧）如何驅(qū)動(dòng)病原基因活動(dòng)的實(shí)證。  

在比較海灘時(shí)，BR的DO剖面顯示表面小峰值，可能與光合生物膜活動(dòng)相關(guān)（葉綠素?cái)?shù)據(jù)支持），而KV無(wú)此特征，凸顯地理差異如何通過(guò)氧化還原條件影響微生物群落功能，從而為評(píng)估健康風(fēng)險(xiǎn)（如病原體在缺氧沉積物中的持久性）提供地球化學(xué)依據(jù)。