與紐約市原汙水相關的原生生物多樣性模式

Patterns of protist diversity associated with raw sewage in New York City

與紐約市原汙水相關的原生生物多樣性模式

作者：Julia M. Maritz, Theresa A. Ten Eyck, S. Elisabeth Alter, Jane M. Carlton

期刊：ISME

時間：2019.06

影響因子：9.493

一、研究背景

原生動物是陸生和水生環境中營養鏈和營養循環的重要組成部分，也是人類和動物微生物組的成員，它們與宿主的關係從寄生到共生不等。原生動物還可以作為建築環境和自然環境中，水質、汙染物水平和生境變化的指標，包括人工生態系統，如廢水處理設施中，它們在淨化過程中發揮的作用。由於原生生物在許多環境過程中至關重要，這些群落可能在城市中發揮著重要的生態作用以及潛在的公共衛生後果，但對城市環境中的原生生物的廣泛研究卻很少。紐約市（NYC）約7400英裡的下水道系統從大約800萬人類居民以及動物、街道徑流和地下水中收集人類排洩物，為研究這些微生物提供了一個理想的系統。

本研究使用了18S rRNA基因擴增子和宏基因組測序相結合的方法，提出了NYC 5個行政區第一個城市規模的未處理汙水的原生生物清單。還將汙水的原生生物群落組成與其它紐約環境（公園、綠地、雨水和沉積物中的土壤）的組成進行比較。

二、實驗設計

樣品採集、處理和DNA提取：從14個NYC EDP汙水處理廠17個採樣點，4個時間段共採集68個汙水樣本，2個雨水樣本和7個土壤樣本，7個沉積物樣本（Fig.1）用於提取DNA。

2. 168個DNA用於18S rRNA基因V4和V9可變區(以下簡稱V4探針和V9探針)擴增、測序及生信分析（包括α和β多樣性分析、統計學比較、Network等）。

3. 2014年11月採集的原始汙水樣本的DNA用於宏基因組測序，每個樣本的平均測序深度在21.5 X 106±4.2 X 106 Paired-end Reads及生信分析。

三、實驗結果

1. 原生生物群落代表性樣本揭示環境之間的高度差異

將2014年11月收集的17個原始汙水樣本的18S rRNA V4和V9區測序結果與另外16個樣本進行了比較。群落組成比較結果顯示，土壤樣品的α多樣性顯著高於所有其他環境。β多樣性分析揭示了環境之間不同聚類模式，以及基於採集點每個環境樣本的聚類（Fig.2a, c）。V4和V9區的數據均表明，環境是原生生物微生物群的主要解釋變量，地理位置只是整個環境中原生生物群落結構的一個次要因素。

LefSe分析顯示，雖然不同的環境中發現了相似的高級別的進化分支的分類群，但佔主導地位的分類群不同。

2. 汙水原生生物群落以獨立生存的分類群為主

計算了所有汙水樣本和2個18S rRNA可變區的taxonomic assignments。NYC汙水包含了一個由獨立生存的分類群佔主導地位的多樣化的原生生物群落（Fig.3），包括纖毛蟲（ciliates），金藻類（chrysophytes），cercozoans和動基體類（kinetoplastids）。

3. 汙水的功能特徵比分類特徵更加一致

宏基因組測序數據分析結果顯示，無論地理位置如何，大多數汙水樣本在功能上都相似（Fig.4）。汙水中最豐富的途徑是嘌呤核苷酸生物合成（Fig.4，紫色）和胺基酸生物合成（Fig.4，綠色）。在所有16個汙水樣品中共存在286個途徑，佔每個樣品的功能組成的 97％以上。

4. NYC汙水中的原始生物群落的時間序列抽樣顯示組成上的季節性差異

β多樣性分析顯示汙水樣品有明顯的季節性模式(Fig.5A，b)。這種模式在V4數據中尤為明顯(Fig.5A)。秋季，春季和夏季樣品間的變異性較高，而冬季樣品的限制較多，這與浮遊微生物真核生物研究的季節性結果相當。對所有14個汙水處理廠和4個季節的核心汙水群落進行的分析顯示，來自這些核心OTU的大多數reads代表的分類群。其它不具有較高相對豐度的核心OTUs，與人類相關的分類群相對應，包括Entamoeba和Blastoystis(僅V9數據)和獨立生活的變形蟲(Vermaoeba Vermiformis)，它們廣泛存在於自然環境和建築環境中，是人類病原體的共同宿主。

5. 汙水原生生物網絡是穩健的

V4 networks比V9 networks包含更多的OTU，但是所有8個網絡都沒有分段，平均路徑長度短，直徑小，連接和集中度低（Table 1）。低值與節點之間的短距離，節點彼此的緊密接近以及網絡內所有節點之間的這些屬性的相對均勻分布一致，這表明網絡對幹擾是穩健的。

四、結論與亮點

這項研究的結果表明，NYC汙水是一種很好的模型系統，用於識別人類和環境微生物，可用於跟蹤與公共健康相關的群落模式。該數據還提供了NYC原生生物多樣性的基礎，用於未來對城市環境中原生生物的調查。我們的研究只是原始汙水中原生生物多樣性（活的或死的）的簡要說明，我們的數據受到公共資料庫的原生生物序列數據的限制，因此建立「典型的」微生物特徵將需要進一步更深的縱向深度的大規模研究。此外，需要額外的補充分析來確定測量的DNA中有多少來自活的原生生物。需要特定的分析來確定公共衛生重要的分類群及其致病潛力。此外，許多這些原生生物可以感染動物和人類，沒有提供有關這些微生物來源的信息。與其它研究一起，這項工作有助於描述城市微生物組的特徵，並提供對城市環境中人畜共患原生生物分布的一些了解。

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