环境DNA宏条形码监测湖泊真核浮游植物的精准性

环境DNA（eDNA）宏条形码（metabarcoding）技术是一种基于分子的生物多样性高效监测手段,近年来越来越多地被应用于生态环境中生物要素的监测和评估.开展eDNA宏条形码监测技术的标准化和规范化研究,是将其业务化推广应用的前提.本研究以高原湖泊滇池和抚仙湖的真核浮游藻类为研究对象,探究了基于18S-V9宏条形码测序深度对生物多样性监测的影响;通过分析平行样本间物种分类单元的交叉率及α多样性的变异率（coefficient of variation,CV）,评估了eDNA宏条形码监测真核浮游藻类结果的精确性.并采用eDNA宏条形码监测数据评估了滇池和抚仙湖北的真核藻类多样性.结果表明：①测序深度显著影响宏条形码技术检出物种的数目,适合滇池和抚仙湖北的eDNA真核藻类多样性分析的测序深度为≥30000条;②重复样品（n=3）间遗传分类单元（OTU）交叉率达到45.97%±1.67%,可注释分类单元（属）交叉率达到64.21%±3.25%,α多样性的变异率<10%.③基于现有DNA条码数据库,滇池和抚仙湖北分别鉴定出真核藻类75属和90属,覆盖本地历史记录形态学物种的62.5%和71.05%.④滇池不同水深的真核藻类多样性无明显差异,抚仙湖的真核藻类多样性具有显著垂直分布特征.和抚仙湖北部相比,滇池真核藻类多样性显著偏低,滇池南部的生物多样性明显高于中部和北部（P<0.05）.综上,本研究建立了eDNA宏条形码技术监测结果的精确性评价方法,验证了基于18S-V9引物监测真核浮游植物多样性的可行性,结果可促进eDNA宏条形码监测技术推广与应用.     

高通量测序技术研究辽河真核浮游藻类的群落结构特征

真核浮游藻类在河流生态系统中发挥着重要生态功能,本研究对辽河水环境样本的18S rRNA基因的V4可变区进行454焦磷酸测序,对获得的OTU代表性序列进行物种注释.比较注释后的生物种类信息与光学显微镜观察结果的异同,并将OTUs的代表性序列与NCBI中真核浮游藻类的18S rRNA基因序列进行系统发育分析,此外研究了真核浮游藻类群落结构特征及其环境影响指标.研究共获得约167 901条18S rRNA基因V4可变区的高质量序列,注释为424个OTUs,涵盖了134种真核浮游藻类OTUs.与光学显微镜鉴别结果类似,高通量测序结果以硅藻门和绿藻门为优势类群,此外检测到轮藻门、隐藻门、定鞭藻门和金藻纲等显微镜观察结果中未有的类群.系统发育分析可在门这一分类阶元对隐藻门和甲藻门聚类,并将隐藻门在属水平进行聚类和区分,甲藻门可以在部分科或属水平聚类和区分.RDA结果显示,氨氮、活性磷和硝态氮是影响真核浮游藻类群落结构特征最重要的环境因子.本研究为认识辽河水环境中真核浮游藻类的多样性、群落结构及其环境影响因子提供了新的视角,同时也预示着高通量测序技术在辽河流域浮游植物监测和水环境质量指示中的应用潜力.     

蓝藻水华形成过程对氮磷转化功能细菌群的影响

为探寻蓝藻水华形成过程中细菌群落结构和氮、磷转化功能菌群的动态变化,利用细菌16S rRNA基因的高通量测序和功能基因的荧光定量PCR(qPCR)方法,分析了在蓝藻水华过程中水体细菌群落组成及功能菌群的变化情况.高通量测序结果证明了蓝藻水华形成过程中细菌群落的多样性降低,细菌群落在水华期和非水华期具有不同的结构.随着水华过程中蓝藻密度的增加,水体中Actinobacteria和Bacteroidetes相对丰度减少,而Firmicutes相对丰度增加;蓝藻水华对聚磷菌(PAOs)具有富集作用,对硝化细菌具有抑制作用,而反硝化细菌的数量在中度水华条件下显著增加. qPCR结果显示,随着蓝藻水华的持续发展,硝化和反硝化功能基因丰度下降甚至消失,表明水体中氮转化过程可能受到抑制,此过程也有利于水华过程中微囊藻快速增殖对氮的需求,对水华蓝藻的生长具有正反馈作用.     

长江中下游环境DNA宏条形码生物多样性检测技术初步研究

长江生物多样性在人为影响下面临严重威胁,物种监测是生物多样性保护的基础,为完善长江水生态监测体系,实现高效无损伤的物种监测,在长江中下游干流3个江段（新滩、安庆和芜湖）采集水样,建立长江水样环境DNA宏条形码物种检测体系并评估其有效性.结果表明:①长江中下游环境DNA宏条形码检测到32个物种,包括20种鱼类、1种水生哺乳动物（长江江豚）和11种陆生动物,其中鱼类物种包括鲤形目、鲇形目、鲈形目和鲱形目,其种数占鱼类总种数的比例分别为60%、25%、10%和5%.②长江中下游渔获物中资源量居首位的鲤形目在环境DNA调查中序列数最多,占鱼类总序列的96.2%,其次为鲱形目（占比为3.5%）,鲇形目和鲈形目占比较低,分别为0.2%和0.1%,4个类目序列相对丰度与渔获物种资源量组成差异较大.③环境DNA调查次数约占传统渔获物调查次数的几十至几百分之一,采样时间不足努力量最少的渔获物调查的1%,检测到的鱼类种数为传统调查总数的31%~49%.④安庆采样点位于长江中下游长江江豚密度最高的江段,其环境DNA检出率和序列相对丰度在3个采样点中均最高.研究显示:长江水样环境DNA包含水陆复合生态系统的生物多样性信息,利用水样环境DNA宏条形码可检测不同类群的水生和陆生物种;对于鱼类物种检测,环境DNA宏条形码比传统调查方法效率更高,可对传统调查结果进行补充;环境DNA宏条形码生物多样性检测主要受分子标记体系和核酸序列数据库限制,获取全面的物种多样性和资源量信息需要对检测分析方法进行进一步完善.      

基于环境DNA的长江中华鲟分布特征探究

中华鲟（Acipenser sinensis）是我国长江流域的旗舰物种,在长江十年禁渔的大背景下,研究中华鲟无损化检测技术具有重要意义。环境DNA(eDNA)技术是一种环境友好型生物监测技术,可以在不直接观察或捕获生物体的情况下对物种进行检测。从文献中筛选出可以用于检测中华鲟eDNA的特异性引物,于2020年9月在长江中下游选取4个中华鲟常出现的区域,进行各断面立体式采样;提取16个点位的e DNA,使用筛选得到的引物对中华鲟进行eDNA的检测,以探究中华鲟的分布特征。结果显示,成功筛选到1组可以检测中华鲟eDNA的引物,使用该引物成功检测到包括中华鲟在内的长江4种鲟类的eDNA,共计测得约300万条鲟类序列。依据测序结果分析不同断面检测到的中华鲟eDNA的差异,发现宜昌江段断面的中华鲟eDNA最多,洞庭湖口断面最少,且表层和底层水体的中华鲟eDNA检出也有显著差异。筛选得到的引物可以用于中华鲟eDNA的检测,中华鲟e DNA的检测结果与中华鲟的历史调查和洄游特征较为吻合。不同水深条件中华鲟eDNA的检出量有显著差异,表明在今后的调查中采用混合或者立体采样可以更加全面地进行中华鲟eDN...     

太湖竺山湾春季浮游细菌群落结构及影响因素

为研究太湖竺山湾春季浮游细菌群落结构,利用高通量测序对竺山湾4个采样点(雅浦港、沙塘港、竺山湖南和椒山)浮游细菌的16S rRNA基因进行序列测定.结果表明:测序文库的覆盖率很高,测序结果完全可以代表样本的真实情况;椒山的物种丰富度最高,但物种分布均匀度较低;竺山湾主要优势菌门为蓝藻门(Cyanobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),蓝藻门平均丰度高达64.73%,正处于水体复苏阶段,已有蓝藻水华暴发态势.属水平优势细菌主要有鱼腥藻属(Anabaena)、hgc I_clade、CL500-29_marine_group、微囊藻属(Microcystis)、聚球藻属(Synechococcus)和分枝杆菌属(Mycobacterium);运用冗余分析(RDA)探讨浮游细菌与环境因子的关系,结果表明,水温、Chl-a、NH+4-N、DO和PO3-4-P是影响浮游细菌群落的主要环境因子,其中,DO能显著影响微囊藻属,营养盐和水温对其也有一定程度影响.     

海洋沉积物中细菌DNA和RNA水平群落差异

海洋沉积物中的微生物在生物地球化学循环中具有重要作用.目前,细菌群落的研究多基于16S rRNA基因(DNA)展开,但DNA不仅包括活性微生物DNA也包括非活性微生物DNA,而RNA水平则可表征环境中具有活性的微生物种群.本研究采用荧光定量PCR和Illumina高通量测序技术,在DNA和RNA水平上研究了渤海和南黄海表层沉积物中细菌群落结构.结果表明,细菌DNA基因丰度比RNA基因丰度高1～2个数量级,DNA水平群落多样性高于RNA水平,二者群落结构差异显著.沉积物中的细菌具有活跃的化能异养、硫酸盐还原和硝化作用.基于16S rRNA基因的测序在探索微生物群落功能时可能会误判重要的功能微生物,总细菌群落中的"稀有生物圈"可能包含转录活跃者,发挥着重要的生物地球化学作用.总体而言,在分析来自稳定沉积环境的细菌群落结构时,基于16S rRNA的研究更能反映真实的生态状况.     

基于eDNA的硅藻群落时空异质性及生态健康评价

近年来,环境DNA技术广泛应用于水生态生物多样性监测,如何基于环境DNA数据建立河流生态健康评价方法是当前研究的热点.拟开发基于环境DNA的分子硅藻指数来指示人类活动影响下的河流生态健康状况.首先通过环境DNA技术监测了沙颍河流域春秋两季硅藻群落组成和结构变化,解析了春、秋两季群落的驱动环境因子;进一步比较了4种基于环境DNA宏条形码数据的计算策略(OTU-分类、OTU-无分类、ASV-分类和ASV-无分类),构建了适合于评估沙颍河流域生态健康状况的分子硅藻指数.结果表明:①硅藻群落结构存在季节性差异,其中Discostella pseudostelligera、Nitzschia amphibia和Diatoma vulgaris等类群是区分春、秋季硅藻群落季节差异的主要因素;②重金属Mn、Fe和TN (总氮)是影响春季硅藻群落结构变化的主要环境因子,COD和Cu是影响秋季硅藻群落结构变化的主要环境因子;③在4种计算策略中,基于OTU-无分类数据计算的硅藻指数更好地反映了环境梯度变化;硅藻指数显示,沙颍河流域生态健康状况在时间上秋季优于春季,而在空间上上游优于下游.综上,通过eDNA技术监测了沙颍河春、秋两季硅藻群落,构建了沙颍河流域分子硅藻指数,促进了环境DNA技术在河流生态健康评价中的应用.     

基于引物的湖泊沉积物氨氧化细菌PCR扩增策略比较

PCR扩增是检测环境中β-变形杆菌纲氨氧化细菌(β-AOB)群落的主要方法,但是引物的敏感性和特异性对结果具有关键影响.本研究首先比较了2组常用的β-AOB 16S rRNA基因引物,结果显示,在扩增一组不同性质湖泊沉积物样品时,βAMO引物均获得明亮的单一条带,但CTO引物则未能全部扩增.克隆及序列分析证实,βAMO引物扩增获得的序列均不属于β-AOB所在的Nitrosomonadales目,而CTO引物扩增获得的序列来自β-AOB中的Nitrosomonas europaea/"Nitrosococcus mobilis"分支.采用变性梯度凝胶电泳方法,对4种不同引物组合PCR策略扩增所得产物进行分析,发现以βAMO或16S rRNA通用引物结合CTO引物的巢式方案可以提高扩增的效率,且β-AOB的群落轮廓与CTO引物直接扩增方案高度相似.这些结果表明βAMO引物具有较高的敏感性但特异性较低,而CTO引物则相反.因此,特定巢式扩增方案既可提高扩增的效率,也能真实反映湖泊沉积物中β-AOB的群落轮廓,是较为理想的β-AOB研究方法.     

基于454和Illumina高通量测序平台对长江口邻近海域沉积物微生物群落的比较分析

作为第二代测序技术的主要平台, 454和Illumina测序方法在微生物核酸分析方面有着广泛应用。本研究以16S rRNA基因为标靶, 分别采用454和Illumina测序技术对长江口邻近海域表层沉积物中的微生物DNA进行分析, 通过对序列长度、微生物群落多样性及组成进行比较, 分析两种方法在沉积物微生物群落结构研究方面的适用性。结果表明, Illumina测序获得的序列数和OTU数要多于454, 其中获得的OTUs中以非优势菌群为主。Illumina与454相比能够检出更多微生物菌群, 且检测到的稀有菌群占有较大比例。综上可知, Illumina测序技术在分析微生物群落多样性及物种组成方面要优于454测序技术, 454的长序列优势并未能体现出来, 且454测序技术可能低估了微生物组成及其多样性。     

基于宏条形码技术的白洋淀水华藻类识别及其驱动因子分析

浮游藻类是引起水华暴发的主要原因.为筛选潜在水华藻类,评估白洋淀水华风险区域,于2020年8月对白洋淀373点位展开浮游藻类调查.利用宏条形码技术分析,解析水华藻类群落组成,同时采用显微镜计数法统计藻密度.根据总藻密度对白洋淀不同区域的水华程度进行评估,同时进一步针对水华藻类群落,耦合淀区水质条件,探究白洋淀不同区域水华藻类群落空间差异驱动因子,以甄别影响水华藻类群落结构关键环境因子.结果表明,95%以上采样区域无水华风险(藻类密度<2×10⁶个·L^-1),仅5个样点存在轻微水华风险.但水华藻类群落分析共检测到了90种水华藻类,其中优势水华藻种有20种,隶属于以绿藻门、蓝藻门和裸藻门为主.水华藻类群落结构在不同区域上具有显著空间异质性(P<0.05).关键驱动因子解析结果表明,总磷(TP)、总氮(TN)和氨氮(NH⁺₄-N)是造成水华藻类群落结构差异的关键因子.其中,门水平上,蓝藻门水华藻类与以上关键因子显著正相关;种水平上,硅藻门和绿藻门水华藻类与关键因子响应更显著.因此,水华藻类群落...     

Plankton community composition in the Three Gorges Reservoir Region revealed by PCR-DGGE and its relationships with environmental factors

To explore the relationships between community composition and the environment in a reservoir ecosystem, plankton communities from the Three Gorges Reservoir Region were studied by PCR-denaturing gradient gel electrophoresis fingerprinting. Bacterial and eukaryotic operational taxonomic units （OTUs）, generated by DGGE analysis of the PCR-amplified 16S and 18S rRNA genes, were used as surrogates for the dominant ＂biodiversity units＂. OTU composition among the sites was heterogeneous; 46.7% of the total bacterial OTUs （45） and 64.1% of the eukaryotic OTUs （39） were identified in less than half of the sampling sites. Unweighted pair group method with arithmetic averages （UPGMA） clustering of the OTUs suggested that the plankton communities in the Xiangxi Rive sites were not always significantly different from those from the Yangtze River sites, despite clear differences in their environmental characterizations. Canonical correspondence analysis （CCA） was applied to further investigate the relationships between OTU composition and the environmental factors. The first two CCA ordination axes suggested that the bacterial community composition was primarily correlated with the variables of NO3^--N, dissolved oxygen （DO）, and SiO3^2--Si, whereas, the eukaryotic community was mainly correlated with the concentrations of DO, PO4^3--P, and SiO3^2--Si.     

Phylogenetic diversity and specificity of bacteria associated with Microcystis aeruginosa and other cyanobacteria

Interactions between bacteria and cyanobacteria have been suggested to have a potential to influence harmful algal bloom dynamics; however, little information on these interactions has been reported. In this study, the bacterial communities associated with five strains of Microcystis aeruginosa, three species of other Microcystis spp., and four representative species of non-Microcystis cyanobacteria were compared. Bacterial 16S rDNA fragments were amplified and separated by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) followed by DNA sequence analysis. The similarities among bacterial communities associated with these cyanobacteria were compared to the digitized DGGE profiles using the cluster analyses. The bacterial community structure of all cyanobacterial cultures di ered. Cluster analysis showed that the similarity values among M. aeruginosa cultures were higher than those of other cyanobacterial cultures. Sequence analysis of DGGE fragments indicated the presence of bacteria including, Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Bacteroidetes and Actinobacteria in the cyanobacterial cultures. Members of the Sphingomonadales were the prevalent group among the Microcystis-associated bacteria. The results provided further evidence for species-specific associations between cyanoabcteria and heterotrophic bacteria, which are useful for understanding interactions between Microcystis and their associated bacteria.     

Isolation, identification and characterization of an algicidal bacterium from Lake Taihu and preliminary studies on its algicidal compounds

In an effort to identify a bio-agent capable of controlling cyanobacterial blooms, we isolated a bacterial strain, A27, which exhibited strong algicidal activity against the dominant bloom-forming species of Microcystis aeruginosa in Lake Taihu. Based on 16S rRNA gene sequence analysis, this strain belongs to the genus Exiguobacterium. This is the first report of an algicidal bacterial strain belonging to the genus Exiguobacterium. Strain A27 exhibited algicidal activity against a broad range of cyanobacteria, but elicited little or no algicidal activity against the two green algal strains tested. The algicidal activity of strain A27 was shown to be dependent on the density of the bacteria and to have a threshold density of 1.5× 10⁶ CFU/mL. Our data also showed that the algicidal activity of strain A27 depended on different growth stages of Microcystis aeruginosa (exponential ≈ lag phase > early stationary) rather than that of the bacterium itself. Our results also suggested the algicidal activity of strain A27 occurred via the production of extracellular algicidal compounds. Investigation of the algicidal compounds revealed that there were at least two different algicidal compounds produced by strain A27. These results indicated that strain A27 has great potential for use in the control of outbreaks of cyanobacterial blooms in Lake Taihu.     

金属营养元素与蓝藻的相互作用研究进展

水体富营养化所引起的蓝藻水华对自然环境及人类社会产生诸多不良影响,通过控制并降低水体中营养物质的浓度相对于其他措施更能有效地降低蓝藻水华的发生程度。在此以金属营养元素为重点,讨论了金属营养元素在蓝藻新陈代谢过程中的作用,综述了蓝藻与金属营养元素间相互作用:蓝藻可改变水体中金属营养元素的含量和分布,而金属营养元素的种类及含量变化也可影响到蓝藻的数量、种类与分布。调研了国内地表水体中金属营养元素的监控现状,建议政府部门加强金属营养元素的监控,以期为蓝藻的监控预警及重金属污染治理等工作开拓新的思路。     

青藏高原克鲁克-托素湖湿地系统微生物多样性

克鲁克湖(Keluke Lake)和托素湖(Tuosu Lake)是青藏高原重要的湿地和水禽自然保护区,其水体微生物的多样性有待研究。利用Illumina测序平台进行16S rRNA基因(V3-V4区)高通量测序,并分析两湖水体微生物的群落结构和多样性。结果表明淡水克鲁克湖和咸水托素湖的物种注释OTU数目分别为331和148,获得克鲁克湖的已知细菌种类为16门34纲66属;托素湖为9门19纲54属。克鲁克湖的微生物优势类群以变形菌门(Proteobacteria)为主,次为蓝菌门(Cyanobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),其优势种群是未确定种属的蓝细菌、弓形杆菌属(Arcobacter)和盐单胞菌属(Halomonas)。托素湖的优势类群以变形菌门为主,次为厚壁菌门(Firmicutes),优势种群是盐单胞菌属。克鲁克湖的微生物物种丰富度、多样性和分布均匀度均显著高于咸水托素湖,但托素湖的物种优势度明显高于克鲁克湖。两湖优势微生物的属群分布与环境因子存在明显的正相关,此为高原湿地生态系统的环境监测与保护提供参考依据。     

微囊藻毒素微生物降解途径与分子机制研究进展

随着大量含氮和磷的废水流入湖泊和江河,导致淡水蓝藻水华污染现象日趋严重.蓝藻水华污染的最主要危害是产生和释放以微囊藻毒素(microcystins,MCs)为主的多种藻毒素.由于MCs对动植物具有很强的毒性,且其在水体中很难被传统的处理方法有效去除,因此如何有效控制蓝藻水华污染和去除MCs是摆在中外环境科学领域的一个难题.针对MCs的结构与毒性、降解菌株、酶催化降解、降解基因和生物降解途径与分子机制的研究进展进行了综述,并对今后微生物降解MCs的研究方向进行了展望,以期为解决我国日益严峻的湖库水体MCs污染和饮用水安全问题提供参考.     

一株磺胺二甲嘧啶抗性菌的筛选及抗性机制研究

为研究地下水中磺胺类抗性菌的抗性特征与抗性机制,在调研北京市东南发展区地下水受抗生素污染情况基础上,从中筛得一株磺胺二甲嘧啶（SMZ）抗性菌SMZ-R9,经形态学观察、生理生化试验及16S rRNA基因测序分析,鉴定为乳酸不动杆菌（Acinetobacter lactucae）.使用荧光定量PCR与普通PCR定量以及定性检测抗性基因（ARGs）,发现菌株SMZ-R9同时携带3种磺胺ARGs（sul1、sul2、sul3）、1种甲氧苄啶ARGs（dfrA1）以及Int1基因;通过对基因序列进行同源性比对及KEGG功能注释,发现sul2、dfrA1基因为编码二氢蝶呤合成酶（DHPs）与二氢叶酸还原酶（DHFR）的核酸序列,表达产物分别催化叶酸合成的上游与下游途径,共同介导菌株SMZ-R9的SAs抗性.可见,通过对ARGs编码蛋白的功能注释与分析,可为微生物的抗生素抗性机制在基因水平的研究提供理论依据.