饮用(yòng)水安(ān)全一直备受全社会的关注，近些年来越来越多(duō)的新(xīn)技(jì )术被应用(yòng)到与之相关的研究中(zhōng)。其中(zhōng)，宏基因组(Metagenomics)技(jì )术备受瞩目。宏基因组技(jì )术基于新(xīn)一代高通量测序 (NGS)来检测特定环境下微生物(wù)群落的基因组序列，通过群落微生物(wù)的基因组序列信息来描绘微生物(wù)的群落结构、优/劣种群，并进一步探究微生物(wù)不同种群的功能(néng)，不同种群之间的关系，以及种群与环境之间的关系。

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研究框架

本研究从2020年10月到2021年1月对供水水库进行跨季节取样。研究人员在两个取样点-库中(zhōng)（KZ）和取水口(QSK)-分(fēn)别提取了泥样（S=9）和水样(W=17）两种样本，共获取到26份样本。随后，将这26个样本送往真迈生物(wù)使用(yòng)GenoLab M平台进行宏基因组测序和相关分(fēn)析。

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水體(tǐ)样本环境因子比较

该研究对所有(yǒu)水样进行了环境因子检测，包括水體(tǐ)的温度、pH、含氧量、总磷、总氮、TLI等。检测结果发现：

① 水样的温度分(fēn)布在17.4-26.5之间（21.91 ± 2.89）；

② 取水口附近的水富营养化指标（TLI）a高于库中(zhōng)。

a：TLI是水體(tǐ)中(zhōng)常用(yòng)的指标之一，数值越大代表水體(tǐ)富营养化程度越高，且水质(zhì)越差。

Table1 水體(tǐ)样本实验室理(lǐ)化性质(zhì)检测结果表

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不同分(fēn)组样本的组间差异

随后，研究人员进行了进行了PCA聚类分(fēn)析，发现所有(yǒu)样本可(kě)以根据取样类型（水样和泥样）聚為(wèi)两组，两组之间差异显著。但是，按照取样点划分(fēn)，取水口和库中(zhōng)所取样本组之间差别较小(xiǎo)，Shannon指数^b的结果进一步验证了这一结果。

b：Shannon指数是用(yòng)来估算样品中(zhōng)微生物(wù)多(duō)样性指数之一。常用(yòng)于反映物(wù)种多(duō)样性的指数。Shannon值越大，说明物(wù)种群落多(duō)样性越高。

图1 PCA聚类分(fēn)析和shannon指数对比

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微生物(wù)物(wù)种在种水平上的差异

该研究对物(wù)种丰度进行种水平的比较分(fēn)析，发现水样和泥样的优势物(wù)种并不相同。泥样中(zhōng)优势物(wù)种為(wèi)锥囊藻（Dinobryon sp_LO226KS）和分(fēn)歧锥囊藻（Dinobryon divergens）；而水样中(zhōng)优势物(wù)种為(wèi)洋杆菌（Candidatus Fonsibacter ubiquis）和假鱼腥藻（Pseudanabaena yagii）。

图2 基于种水平的样本物(wù)种丰度表

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环境因子分(fēn)析

研究人员在分(fēn)析Shannon指数时发现了一个有(yǒu)趣的现象： Shannon指数的变化趋势与TLI的变化趋势具(jù)有(yǒu)显著的一致性。為(wèi)了探究影响微生物(wù)群落不同物(wù)种组成的关键环境因子是否為(wèi)TLI，研究人员进行了冗余分(fēn)析（RDA）。结果表明，温度和TLI可(kě)能(néng)是影响微生物(wù)群落不同物(wù)种组成的关键因子。研究人员同时根据相关性筛选了与环境因子显著相关的Mark物(wù)种，為(wèi)基于物(wù)种变化监测TLI等环境因子提供新(xīn)的方向。

图3 TLI与香农指数变化趋势

图4 RDA关键影响环境因子分(fēn)析

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藻类毒素基因和抗生素耐药性基因分(fēn)布和潜在来源

藻类毒素是藻类在生長(cháng)发育过程中(zhōng)产(chǎn)生的一种对人體(tǐ)有(yǒu)害的毒性物(wù)质(zhì)，会严重影响水质(zhì)。因此，本研究进一步分(fēn)析了水库中(zhōng)藻类毒素基因的来源和分(fēn)布。结果发现柱孢藻毒素（CYN）相关的基因簇含量最高，其主要来源于拟柱胞藻（Cylindrospermopsis）、尖头藻 （Raphidiopsis ）和隐球藻 （Aphanocapsa）三个藻类属。前两个藻类也是CYN毒素来源的潜在物(wù)种，而Aphanocapsa被首次报道可(kě)能(néng)含有(yǒu)CYN毒素的相关基因簇。

图5 藻类毒素基因来源分(fēn)析

抗生素的广泛使用(yòng)，导致了细菌的广谱耐药性。这对于人类的健康来说，是一个亟待解决的问题。水库作(zuò)為(wèi)一种天然沉积场所，汇聚了各种来源的耐药性细菌，是细菌的耐药基因最完美的富集场所。基于此，本研究对水库中(zhōng)抗生素耐药性基因（ARG）进行了深入挖掘，结果发现多(duō)药耐药基因是含量最高的ARG，而泥样中(zhōng)ARG的构成比水样中(zhōng)要复杂，这也预示着水库更大的潜在风险。

图6 抗生素耐药基因相关性分(fēn)析

基于上述分(fēn)析，我们得出如下结论：

1、季节变化与采样地点对水库的微生物(wù)组成没有(yǒu)显著性的影响，而水體(tǐ)或者水底泥的样本类型对微生物(wù)的组成影响较大；

2、TLI和温度可(kě)能(néng)是影响水體(tǐ)微生物(wù)群落组成的关键环境因子；

3、构建了水库的藻类毒素基因种类数据集，以及主要藻类毒素来源的关键物(wù)种，并首次发现了Aphanocapsa可(kě)能(néng)含有(yǒu)藻类毒素基因；

4、水库中(zhōng)耐多(duō)药抗生素耐药基因簇的含量最高，且泥样中(zhōng)抗生素相关性网络更加复杂，提示更高的风险存在。