飲用(yòng)水(shuǐ)安全一直備受全社會的(de)關注，近些年來(lái)越來(lái)越多(duō)的(de)新技術被應用(yòng)到與之相關的(de)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(gāo)通(tōng)量測序 (NGS)來(lái)檢測特定環境下(xià)微生物(wù)群落的(de)基因組序列，通(tōng)過群落微生物(wù)的(de)基因組序列信息來(lái)描繪微生物(wù)的(de)群落結構、優/劣種群，并進一步探究微生物(wù)不同種群的(de)功能，不同種群之間的(de)關系，以及種群與環境之間的(de)關系。

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研究框架

本研究從2020年10月(yuè)到2021年1月(yuè)對(duì)供水(shuǐ)水(shuǐ)庫進行跨季節取樣。研究人(rén)員(yuán)在兩個(gè)取樣點-庫中（KZ）和(hé)取水(shuǐ)口(QSK)-分(fēn)别提取了(le)泥樣（S=9）和(hé)水(shuǐ)樣(W=17）兩種樣本，共獲取到26份樣本。随後，将這(zhè)26個(gè)樣本送往真邁生物(wù)使用(yòng)GenoLab M平台進行宏基因組測序和(hé)相關分(fēn)析。

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水(shuǐ)體樣本環境因子比較

該研究對(duì)所有水(shuǐ)樣進行了(le)環境因子檢測，包括水(shuǐ)體的(de)溫度、pH、含氧量、總磷、總氮、TLI等。檢測結果發現：

① 水(shuǐ)樣的(de)溫度分(fēn)布在17.4-26.5之間（21.91 ± 2.89）；

② 取水(shuǐ)口附近的(de)水(shuǐ)富營養化(huà)指标（TLI）a高(gāo)于庫中。

a：TLI是水(shuǐ)體中常用(yòng)的(de)指标之一，數值越大(dà)代表水(shuǐ)體富營養化(huà)程度越高(gāo)，且水(shuǐ)質越差。

Table1 水(shuǐ)體樣本實驗室理(lǐ)化(huà)性質檢測結果表

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不同分(fēn)組樣本的(de)組間差異

随後，研究人(rén)員(yuán)進行了(le)進行了(le)PCA聚類分(fēn)析，發現所有樣本可(kě)以根據取樣類型（水(shuǐ)樣和(hé)泥樣）聚爲兩組，兩組之間差異顯著。但是，按照(zhào)取樣點劃分(fēn)，取水(shuǐ)口和(hé)庫中所取樣本組之間差别較小，Shannon指數^b的(de)結果進一步驗證了(le)這(zhè)一結果。

b：Shannon指數是用(yòng)來(lái)估算(suàn)樣品中微生物(wù)多(duō)樣性指數之一。常用(yòng)于反映物(wù)種多(duō)樣性的(de)指數。Shannon值越大(dà)，說明(míng)物(wù)種群落多(duō)樣性越高(gāo)。

圖1 PCA聚類分(fēn)析和(hé)shannon指數對(duì)比

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微生物(wù)物(wù)種在種水(shuǐ)平上的(de)差異

該研究對(duì)物(wù)種豐度進行種水(shuǐ)平的(de)比較分(fēn)析，發現水(shuǐ)樣和(hé)泥樣的(de)優勢物(wù)種并不相同。泥樣中優勢物(wù)種爲錐囊藻（Dinobryon sp_LO226KS）和(hé)分(fēn)歧錐囊藻（Dinobryon divergens）；而水(shuǐ)樣中優勢物(wù)種爲洋杆菌（Candidatus Fonsibacter ubiquis）和(hé)假魚腥藻（Pseudanabaena yagii）。

圖2 基于種水(shuǐ)平的(de)樣本物(wù)種豐度表

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環境因子分(fēn)析

研究人(rén)員(yuán)在分(fēn)析Shannon指數時(shí)發現了(le)一個(gè)有趣的(de)現象： Shannon指數的(de)變化(huà)趨勢與TLI的(de)變化(huà)趨勢具有顯著的(de)一緻性。爲了(le)探究影(yǐng)響微生物(wù)群落不同物(wù)種組成的(de)關鍵環境因子是否爲TLI，研究人(rén)員(yuán)進行了(le)冗餘分(fēn)析（RDA）。結果表明(míng)，溫度和(hé)TLI可(kě)能是影(yǐng)響微生物(wù)群落不同物(wù)種組成的(de)關鍵因子。研究人(rén)員(yuán)同時(shí)根據相關性篩選了(le)與環境因子顯著相關的(de)Mark物(wù)種，爲基于物(wù)種變化(huà)監測TLI等環境因子提供新的(de)方向。

圖3 TLI與香農指數變化(huà)趨勢

圖4 RDA關鍵影(yǐng)響環境因子分(fēn)析

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藻類毒素基因和(hé)抗生素耐藥性基因分(fēn)布和(hé)潛在來(lái)源

藻類毒素是藻類在生長(cháng)發育過程中産生的(de)一種對(duì)人(rén)體有害的(de)毒性物(wù)質，會嚴重影(yǐng)響水(shuǐ)質。因此，本研究進一步分(fēn)析了(le)水(shuǐ)庫中藻類毒素基因的(de)來(lái)源和(hé)分(fēn)布。結果發現柱孢藻毒素（CYN）相關的(de)基因簇含量最高(gāo)，其主要來(lái)源于拟柱胞藻（Cylindrospermopsis）、尖頭藻 （Raphidiopsis ）和(hé)隐球藻 （Aphanocapsa）三個(gè)藻類屬。前兩個(gè)藻類也(yě)是CYN毒素來(lái)源的(de)潛在物(wù)種，而Aphanocapsa被首次報道可(kě)能含有CYN毒素的(de)相關基因簇。

圖5 藻類毒素基因來(lái)源分(fēn)析

抗生素的(de)廣泛使用(yòng)，導緻了(le)細菌的(de)廣譜耐藥性。這(zhè)對(duì)于人(rén)類的(de)健康來(lái)說，是一個(gè)亟待解決的(de)問題。水(shuǐ)庫作爲一種天然沉積場(chǎng)所，彙聚了(le)各種來(lái)源的(de)耐藥性細菌，是細菌的(de)耐藥基因最完美(měi)的(de)富集場(chǎng)所。基于此，本研究對(duì)水(shuǐ)庫中抗生素耐藥性基因（ARG）進行了(le)深入挖掘，結果發現多(duō)藥耐藥基因是含量最高(gāo)的(de)ARG，而泥樣中ARG的(de)構成比水(shuǐ)樣中要複雜(zá)，這(zhè)也(yě)預示著(zhe)水(shuǐ)庫更大(dà)的(de)潛在風險。

圖6 抗生素耐藥基因相關性分(fēn)析

基于上述分(fēn)析，我們得(de)出如下(xià)結論：

1、季節變化(huà)與采樣地點對(duì)水(shuǐ)庫的(de)微生物(wù)組成沒有顯著性的(de)影(yǐng)響，而水(shuǐ)體或者水(shuǐ)底泥的(de)樣本類型對(duì)微生物(wù)的(de)組成影(yǐng)響較大(dà)；

2、TLI和(hé)溫度可(kě)能是影(yǐng)響水(shuǐ)體微生物(wù)群落組成的(de)關鍵環境因子；

3、構建了(le)水(shuǐ)庫的(de)藻類毒素基因種類數據集，以及主要藻類毒素來(lái)源的(de)關鍵物(wù)種，并首次發現了(le)Aphanocapsa可(kě)能含有藻類毒素基因；

4、水(shuǐ)庫中耐多(duō)藥抗生素耐藥基因簇的(de)含量最高(gāo)，且泥樣中抗生素相關性網絡更加複雜(zá)，提示更高(gāo)的(de)風險存在。