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春秋棋牌工學院鞠峰課題組揭秘世界最大跨流域調水工程幹渠微生物動態機制
學術研究
鞠峰實驗室 2021年10月01日
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公共事務部

達爾文的進化論告訴我們,“物競天擇,適者生存”;而在一百多年後,與之並立互補的中性理論提出,基因的變化大多是隨機的中性突變。那麽,在自然界不同的環境中如此各異的生物多樣性究竟是受自然選擇還是隨機因素影響更多?這一直是生態學家們試圖回答的問題。

微生物是地球上多樣性最高的生物類群,理解環境中尤其是具有服務功能的工程系統中微生物多樣性和群落構建的影響因素,能夠幫助我們預測和控制其中微生物的變化,進而實現對系統功能的調控。

鞠峰科研团队以我国的南水北调中线工程为例,运用高通量测序、定量扩增和模型拟合等分子生态学方法解析了世界最长距离的调水渠道中微生物的动态变化规律,并基于首次提出的局部生长因子法(Local growth factor)评估了渠道中微生物的生长和消亡情况。此项研究成果于10月1日发表在环境领域国际顶刊《Water Research》,第一作者为鞠峰實驗室博士后张璐博士,通讯作者为西湖大学工學院特聘研究员鞠峰。


图1 论文截图


我國的南水北調工程是世界上規模最大,距離最長的跨流域調水工程;其中中線工程從丹江口水庫調水,緩解了河南、河北、北京和天津4個省市的水資源短缺問題。中線幹渠全長1432公裏,全部爲混凝土硬化渠道,不與沿線河流互通,是一個封閉的人工系統。



微生物是幹渠水生態系統的重要組成部分,也是決定幹渠水各項水質指標能否達到標准的重要因素。但此前並未有關于南水北調工程,以及其他長距離調水工程中微生物過程的深入研究報道。另外,調水渠道形似河流,卻顯然不同于自然水體,這其中的微生物多樣性和動態規律和自然水體又有什麽不同?所以,長距離人工調水渠道中的微生物動態機制既有生態學研究意義,又是關乎社會民生的重要工程問題。

微生物隨水流(空間上)和季節(時間上)如何變化?

隨機性(stochastic)和確定性(deterministic)的因素如何影響微生物在幹渠水中的變化?

從丹江口水庫進入到人工建造的渠道中,哪些遷移的微生物能快速適應並生長繁殖?

带着这些问题,鞠峰科研团队在南水北调中线干线工程建设管理局的支持下,与长江水资源保护科學研究所合作,对丹江口水库和干渠沿线19个站点开展了横跨一年的四次采样,提取水中的DNA,运用绝对定量宏组学方法分析其中的微生物群落。鞠峰团队前期已建立的其他定量宏组学方法请参考:Bio-101: e2003693?和?The ISME Journal. 2019 Feb; 13(2): 346–360。


图3 南水北调中线干渠采样现场图


幹渠水中微生物組成隨季節和水流呈現明顯差異

研究團隊發現,無論是幹渠水中的細菌還是微型真核生物(包括真菌、原生動物和真核藻類等),它們的生物量(biomass)、物種豐富度(richness)和多樣性(diversity)均呈現顯著的季節性差異,而且因季節的變化比隨水流發生的改變更加明顯(圖4右,每個圓點代表的水樣微生物群落主要以季節區分)。



受各位點氣候地理條件及沿線水利工程結構(渡槽、倒虹吸等)的影響,幹渠沿線的微生物群落結構也不斷發生變化。



隨機性因素對微型真核生物影響比細菌更大

研究團隊進一步通過多參數統計分析發現,水溫、pH、溶解氧、總氮和氟化物的濃度均爲影響幹渠微生物群落結構的重要確定性因素。但這些因素無法解釋全部樣品間微生物多樣性的差異(圖6右),主要歸因于隨機性因素(例如擴散、個體的繁殖和死亡等,是隨機發生的)的影響。



通過基于零模型的標准化隨機性比率(NST)計算,微型真核生物群落由隨機性因素主導,而細菌更多受確定性過程影響。此外,研究團隊通過中性模型擬合發現,隨機性因素的影響在五月最小(圖7右,R2表示中性模型的擬合度,即符合中性模型預測的程度)。五月也是丹江口水位最低的時段,所以水位的降低可能增加了水源地及幹渠水中微生物的選擇壓力。



图7 随机性因素的影响大小因对象、空间和时间而异


首次提出利用局部生長因子分析揭示微生物生長消亡規律

微生物从水源地天然环境迁移进入人工建造的调水渠道,哪些会适应完全不同的人工环境,成为沿线微生物群落的重要组成部分并最终输送到供水地,哪些又会慢慢消亡?这是一个兼具生态学研究和水质监测意义的问题。据此,研究团队提出了基于绝对定量测序分析的局部生长因子(Local growth factor)法,并以此评估了干渠中微生物的生长和消亡。

根据局部生长因子分析,几种蓝藻(例如Cyanobium PCC-6307,蓝藻是引发藻华的重要微生物)和潜在致病菌(例如,Acinetobacter spp.)在干渠中有明显消减,说明干渠在调水过程中从水质健康角度有一定的自净化潜能。相反,Luteolibacter sp. 、Limnohabitans sp.和Cryptophyceae在干渠沿线逐渐增多,可能参与驱动干渠水体碳氮生物循环过程。

南水北調中線工程自2014年12月12日起通水,其中的生態系統仍處于初步形成的階段。此項研究首次系統揭示了這一類極具社會服務與經濟效益的人工系統中微生物的動態變化規律和影響因素,爲幹渠有效的水質監測和可持續管理提供了重要基礎。水體中的微生物具有指示水質變化和潛在汙染的重要功能,它們在水生態監測中的價值不可替代。

一千多公裏的人工渠道中,微生物是不是適者生存?答案是:不完全是。盡管隨機性因素對微生物的影響增加了預測微生物動態變化的難度,但是了解隨機性因素在哪些情況下影響更大和影響的機制能夠幫助研究人員和管理者更好的理解系統中的微生物過程,以便制定科學的管理和調控措施。


環境微生物組與生物技術實驗室

西湖大学環境微生物組與生物技術實驗室(Westlake EMBLab)开展环境工程学与微生物学交叉学科研究,选取环境微生物组为主要研究对象,以群落结构功能解析、构建理论、功能调控为研究主线,发展微生物群落的定量宏基因组、定量宏转录组学、网络分析等方法,解密群落功能的构建原理,建立功能设计与调控方法,致力于通过环境学原理与生物学前沿技术与理论的交叉融合,为生态环境修复与资源化工程研究提供新技术和新视角。

EMBLab实验室主页: www.ju-emblab.com

EMBLab實驗室微信公衆號:envmbio


EMBLab負責人簡介

鞠峰,西湖大学研究员、博士生导师,環境微生物組與生物技術實驗室(EMBLab)负责人,浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室副主任,中国工程院院刊《Engineering》编委、Cell Press旗下《The Innovation》青年编辑、《Environmental Science & Ecotechnology》青年编委、Frontiers系列《Environmental Science》、《Microbiology》、《Bioengineering and Biotechnology》期刊编委与审稿编辑,曾担任加拿大自然科学与工程理事会(NSERC)国际评审专家,国际微生物生态学会(ISME)、国际水协会(IWA)、中国环境科学学会(CSES)等会员。2015年获香港大学工学博士学位,2015-2018年在瑞士联邦水科学与技术研究所 (EAWAG) 从事微生物生态与抗生素耐药方向博士后研究,2018年至今在西湖大学担任特聘研究员,曾获中国生态学会“水云天微生物生态青年科技创新奖-特等奖”(2018)、香港科学会“青年科学家奖”(2016)、香港大学“杰出研究型研究生奖”(2015)。目前参编中英文专著3本,在The ISME Journal、Environmental Science & Technology、Water Research、Science of the Total Environment等环境生态学与微生物学领域知名期刊发表学术论文50余篇,谷歌学术引用 3200余次。