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《Science of the Total Environment》解读雾霾对微生物群落的影响!

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最近,生物平台生物与齐鲁工业大学合作,在《Science of the Total Environment》(最新影响因子5.589)上再次发表文章,利用高通量测序技术,探究山地环境下雾霾对微生物群落的影响。

研究背景

空气污染是威胁人体健康的一大因素。空气污染物包括气体污染物和颗粒物(PM)。空气中的气溶胶或HNE颗粒(PM2.5)的聚集是雾霾形成的主要原因之一。在雾霾中发现的细菌会引发呼吸道感染和导致各种过敏的传播。研究表明,长时间暴露于气体和颗粒污染物较多的空气中会增加呼吸系统疾病和心血管疾病的风险。

国内外相关文献大多数趋向于雾霾的组成、来源、污染特征及其影响因素等理化性质的研究,而对典型山地环境下雾霾中微生物群落组成及分布情况的研究报道屈指可数。本文从生理状态、生化功能和微生物群落代谢途径等方面研究了不同PM2.5浓度下雾霾样本中的细菌群落,对于研究雾霾的形成机制有重要意义。

研究目的

1、研究不同浓度PM2.5中微生物群落的组成和结构;

2、研究空气中微生物对PM污染的反应机理和反馈机制。

 

研究方法

测序技术:Illumina MiSeq高通量测序平台

测序模式:微生物组细菌16S rRNA基因V4-V5区

实验设计:2017年8月15日至2017年12月29日之间,在济南山区收集不同污染程度的空气样本。表1列出了不同样本对应的PM2.5浓度信息。

表1 不同样本的PM2.5浓度表

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 研究结果

1. 细菌的群落特征

    1.1群落组成

图1(a)表示门水平上空气中细菌的群落组成。研究发现,Proteobacteria是NP (63.8%)中最具优势的物种,它在LP (41.3%)和MP (26.3%)中丰度减小,而在HP (81.0%)中丰度增加。Firmicutes是LP和MP中相对丰度最高的物种。

图1(b)表示属水平上空气中细菌的群落组成,可以看出Cupriavidus是在HP中的优势物种,且它在HP、MP、LP中的相对丰度显著高于NP中。Ralstonia的相对丰度随着空气污染指数的增加而增加。

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图1 门水平和属水平上空气中细菌的群落组成

 

1.2多样性指数

如图2所示,雾霾样本的多样性指数(Simpson)增大,表明雾霾样本的多样性更高。

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图2 Alpha多样性分析

1.3热图和LEfSe分析

图3聚类热图和图4 LEfSe分析的结果表明,来自不同污染程度的雾霾样本之间,物种丰度和组成分布均存在显著差异。

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图3 属水平和种水平热图分析

  

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图4 LEfSe分析

 

1.4网络分析

如图5所示,不同污染程度的雾霾样本之间仅存在少量的共有物种。

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图5 关联网络图

 

2. 代谢途径和微生物功能

2.1功能预测

如图6所示,使用KEGG数据库进行功能预测,样本中丰度最高的第二等级的代谢通路是环境信息处理中的膜转运。其他代谢途径,比如氨基酸代谢、碳水化合物代谢、复制和修复、能量代谢等也占有很大比例。

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图6 代谢功能谱

2.2差异分析

如图7所示,分析不同污染程度的雾霾样本的代谢通路,发现其相对丰度表现出显著差异,这些差异细菌的功能和人类疾病相关。

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图7 代谢通路差异分析

 

 

结论

本文重点研究了不同的PM2.5水平下,空气中细菌群落的组成和结构以及菌群的功能。结果表明,雾霾对于空气中细菌的群落组成和结构有显著影响,进而危害人体健康。本文的研究成果,将有助于预防雾霾引起的疾病以及探索雾霾的形成机制。

 

本研究的测序和部分数据分析工作由生物公司完成。

文章索引:

Ji L, Zhang Q, Fu X, et al. Feedback of airborne bacterial consortia to haze pollution with different PM levels in typical mountainous terrain of Jinan, China.[J].Science of the Total Environment, 2019.

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719338628

 

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