石油污染土壤微生物功能代谢的宏基因组学-代谢组学分析
土壤微生物的丰度和组成是土壤健康的一个重要方面。污染物的存在和浓度将改变土壤微生物的种群、群落结构和生态功能。
为了研究样品之间代谢特征的差异,将1000个土壤样品中每个样品的5±20 mg转移到5 mL管中,其中装有1 mL预冷提取混合物和1 mL乙醇酸。将样品涡旋30秒,并用球磨机在4 Hz下均质化35分钟。
在真空浓缩器中蒸发后,加入60 μL甲氧基胺化盐酸盐,在80 °C下通过1 μL BSTFA摄政衍生化。 然后通过气相色谱仪和飞行时间质谱仪分析所有样品。使用 Agilent 7890 气相色谱仪和飞行时间质谱仪进行 GC-TOF–MS 分析。
将包含峰数、样品名称和归一化峰面积信息的最终数据集导入SIMCA16.0.2软件包进行多变量分析。对数据进行缩放和对数变换,以最大程度地减少噪声和变量高方差的影响。通过正交投影到潜在结构判别分析建模分析了第一个主成分。
为了探究污染土壤中微生物的具体分布和组成,我们进一步分析了门和属水平的菌群组成。在未受污染的土壤中,变形杆菌41.38%、放线菌20.08%和酸性杆菌13.74%的比例最高。
通过对基因丰度注释的t检验分析发现,污染样品中拟杆菌的相对丰度显著高于未污染样品,阿拉伯数字油污显著促进了拟杆菌的增殖,降低了酸杆菌的丰度,从而改变了土壤微生物在门水平上的分布。
我们进一步分析了属水平的土壤微生物菌群组成发现,在未受污染的土壤中,鞘单胞菌占0.01%,诺卡介鱼占2.2%,而在污染土壤中,地美喹占12.40%,马里诺杆菌占2.3%,免疫二酸杆菌占4.02%,假黄单胞菌占3.82%。
结果表明,石油污染能够抑制鞘单胞菌的增殖,但能促进假黄单胞菌、假单胞菌和分枝杆菌的增殖。这为筛选潜在微生物进行污染土壤生物修复提供了参考依据。
对两组进行了差异功能基因分析。研究发现,与未受污染的土壤相比,污染显著降低了环境信息处理、生物系统、新陈代谢、细胞过程和遗传信息处理。
更具体地说,在污染土壤中,膜转运、聚糖生物合成和代谢、异生生物降解和代谢以及环境适应途径中的基因丰度降低。
微生物可以促进异生生物降解和代谢,以保护土壤免受外源污染物的侵害。鉴于油污土壤中微生物对外来化合物的降解途径和调控酶在研究中具有重要意义,还重点分析了两组对异生素生物降解途径的差异分析。
结果表明,降解甲苯、二甲苯、多环芳烃和氟苯甲酸酯的污染土壤浓度显著高于未污染土壤。 这些途径主要与苯环结构芳烃的代谢有关。芳烃是不饱和烃化合物,是石油中的重要成分。其成分的化学性质与石油污染的毒性作用密切相关。
由于我们发现石油污染导致微生物组成的显著变化,并推测代谢物也会相应地发生变化,因此我们通过GC-TOF-MS测量和分析了非靶向代谢组学数据。我们通过相对标准偏差去噪检测到378个峰和153个代谢物。
石油污染显著改变了土壤代谢产物的组成,为了进一步分析石油污染土壤的代谢物组成,我们采用OPLS-DA统计方法对结果进行分析,获得了更可靠的两组代谢物差异相关性信息。通过交叉验证获得的R2Y和Q评估有效性。
R2Y值为0.29,对应的Q2值为1.26,表明模型可用,数据稳定准确。
筛选差异代谢产物结果显示,与未污染土壤相比,污染土壤中143种代谢产物显著下调,包括葡萄糖、亚油酸、乳糖、半乳糖和β-羟基胆酸,而棕榈酸、二十二烷、2-酮己二酸、乙醇酸、壬二酸和茉莉酸甲酯等6种代谢物显著增加。
其中,芳烃双加氧酶很重要,因为它们可以引发这些化合物的微生物需氧降解。
双加氧酶是芳烃氧化开环的速度限制因素,因此双加氧酶基因多态性及其含量常作为污染土壤自我修复能力的检测标准。
这阐明了芳香族化合物微生物降解的相关机理,通过代谢组学技术进一步分析了产物的差异,发现了微生物对多环芳烃、甲苯等石油污染物的相关降解特征。
微生物还调节相关代谢物的产生,如龙胆酸和9-芴酮。本研究为多环芳烃的生物修复提供了理论依据和处理措施。它将为筛选新的油降解细菌产生新的见解。
参考文献
【1】蔡志, 周琪, 彭思, 李可 (2010) 促进香脂杖楞对石油烃的生物降解和微生物效应具有较强的耐力。J Hazard Mater 183:731–737。
【2】Leneva NA,Kolomytseva MP,Baskunov BP,Golovleva LA(2010)荧光假单胞菌26K菌株的萘代谢酶。生物化学(Mosc)75:562-569。
【3】Seo JS, Keum YS, Li QX (2009) 芳香族化合物的细菌降解。国际环境研究公共卫生6:278-309。