《Ecological Genetics and Genomics》：A 16s rRNA amplicon-based study on the microbial taxonomic and functional diversity of eutrophic urban lakes in Dhaka, Bangladesh
编辑推荐：
城市湖泊微生物多样性及功能研究：通过16S rRNA测序发现Ramna湖沉积物多样性（Shannon指数7.369）显著高于水体及Gulshan湖，功能上具有同质性，但低富营养化Ramna湖更富代谢活性，并鉴定出可耐受150 ppm汞的芽孢杆菌属，为金属生物修复提供新资源。
Khalid Shahriar|Md.Wahid Murad|Lamim Muntasir|Md.Anwar Hossain Adib|Md.Miraj Kobad Chowdhury
达卡大学遗传工程与生物技术系，达卡-1000，孟加拉国
摘要：
湖泊的自然生物修复机制和策略在很大程度上取决于其细菌群落。核心细菌类群的丰富度共同决定了主导的生物修复和代谢适应策略。了解城市湖泊中的微生物多样性对湖泊健康管理具有重要意义。16s rRNA扩增子测序可以捕捉到分类学和功能上的丰富度，从而概括给定系统中的功能趋势，并应用于生物修复。本研究采用宏基因组学方法揭示了孟加拉国达卡两个富营养化城市湖泊（Ramna湖和Gulshan湖）的分类多样性和功能潜力。我们的研究结果表明，Ramna湖的沉积物（OTUs = 4864；Shannon指数 = 7.369）比湖水（OTUs = 1520；Shannon指数 = 4.572）和Gulshan湖（OTUs = 1671；Shannon指数 = 4.987）具有更高的多样性。变形菌门和放线菌门在Ramna湖（变形菌门 = 31.01% 和 放线菌门 = 50.94%）和Gulshan湖（47.73% 和 11.8%）的水中占主导地位，而酸杆菌门则是Ramna湖沉积物中的主要门类（23.25%）。有趣的是，湖泊的水和沉积物在功能上具有很高的相似性，其中转运蛋白、氨基酸、碳水化合物和外源物质代谢较为突出。然而，相对较不富营养化的湖泊在转运蛋白和代谢方面更为丰富，而在细菌运动性和分泌功能方面则较少。总体而言，我们报告了研究湖泊在营养水平上的显著功能同质性和分类异质性。鉴于KEGG注释中预测的汞抗性功能，我们分离并鉴定出一种能够耐受约150 ppm汞的Bacillus或Cytobacillus菌种，这可能对金属生物修复具有潜在价值。
引言
城市湖泊在补充地下水、雨水滞留、提供娱乐活动场所、紧急用水供应以及为拥挤的城市区域提供开放空间方面起着关键作用。更重要的是，围绕城市湖泊发展的生态系统包含相互作用的多种成分[1]。城市湖泊的污染对生态位和人类的可持续生计构成了严重威胁。工业和人为废物常常导致水生栖息地的健康状况恶化[2]。尽管物理和生化参数可以捕捉到一些变化，但只有通过识别栖息在该区域的微生物群落，才能真正评估其生物修复和功能潜力。微生物群落在生物-非生物相互作用、物理化学相互作用以及成分的空间分布方面具有高度动态性，从而维持湖泊生态系统的稳态[1]。
湖泊中的细菌群落可以与自身、浮游生物、真菌和高等真核生物发生营养相互作用。Liu在2021年的一项研究表明[3]，原核生物的群落结构对生物相互作用的敏感性高于真菌。Sadeghi等人在2021年的另一项研究[4]中指出，与微生物真核生物群落的互利或拮抗共存解释了细菌群落组成的变化。研究表明，在原生动物以细菌为食的生态系统中，细菌可以通过采取各种防御策略来逃避捕食，例如形成延长的丝状物或聚集的菌落以增大体积从而难以被吞食、减小体积以逃避检测、形成保护性生物膜或利用其他可诱导的防御机制[5]。Wang等人[6]从理论上指出，去除重要类群可能导致群落组装过程中主导过程的快速转变。因此，为了理解这种生物相互作用，有必要了解每个生态系统的微生物组成和功能。16s rRNA宏基因组学研究是一种经济高效且可靠的方法，可用于揭示湖泊中的微生物潜力[7]。
世界各地已经进行了多项利用16s rRNA扩增子和霰弹枪测序的相关研究[8, 9, 10, 11]。Pangong湖高海拔高盐环境中的微生物种群也进行了研究[12]。两组研究人员分别对红树林物种的细菌群落进行了16S rRNA宏基因组分析[13, 14]。还有一组研究人员利用16s rRNA宏基因组测序来研究中三叠世Cava Superiore层的现代微生物组[15]。然而，利用16s rRNA来研究孟加拉国城市湖泊的微生物结构的相关研究还很少。虽然有一项涉及达卡Dhanmondi湖的研究[16]，但尚未使用现代技术对达卡的Gulshan湖和Ramna湖进行过此类研究。
鉴于这些城市湖泊对城市健康的重要性，了解其微生物群落对于评估这些群落随时间的变化以解决湖泊健康问题至关重要。因此，我们在本研究中对Ramna湖和Gulshan湖的水样或沉积物样本进行了16s rRNA扩增子测序，以报告细菌的分类结构并预测其潜在功能。本研究的主要目的是进一步了解这些湖泊的微生物生态，并发现新的菌株。从湖泊样本的KEGG注释中预测的汞抗性或汞代谢功能促使我们筛选出抗汞细菌。这一探索最终分离出一种具有超强抗汞能力的菌株。这种抗汞细菌的分离验证了我们在KEGG预测中的观察结果，可能成为金属生物修复的宝贵资源。
样本收集与处理
本研究共收集了三个样本（n=3）。从孟加拉国达卡市的Ramna湖四个不同地点采集了表层水样（样本ID：RW）和沉积物样本（样本ID：RS）（详细信息见补充表-S1）。此外，还从达卡市的Gulshan湖四个不同地点采集了表层水样（样本ID：GW）。所有样本均采集于2024年7月11日。
分别从...
研究湖泊在雨季处于高度富营养化状态
叶绿素-a浓度（μg/L）被用作营养状态的指标。根据吸光度数据分析，Ramna湖和Gulshan湖的水中叶绿素-a浓度分别为42.9 μg/L和54.6 μg/L，表明这两个湖泊都处于高度富营养化状态[41]。然而，Ramna湖的富营养化程度相对较低。
沉积物中的α多样性最高
共研究了三个样本（n=3）：Ramna湖的水样（RW）、Ramna湖的沉积物样本（RS）以及...
讨论
微生物群落对湖泊的可持续性至关重要。微生物多样的代谢潜力维持了湖泊的营养循环过程，并有助于控制外源物质。因此，了解湖泊中的微生物组成及其功能在湖泊管理中起着重要作用，尤其是在城市湖泊中[42]。在本研究中，我们对达卡市的两个城市湖泊进行了16s rRNA宏基因组分析，并推断出它们的功能意义。
结论
16s rRNA宏基因组测序显示，达卡城市湖泊的表层水样具有相似的物种丰富度和多样性，但组成存在显著差异，这反映了富营养化的影响。Ramna湖的沉积物具有更高的多样性，并包含独特的微生物物种。有趣的是，KEGG功能注释预测了湖泊之间的高度同质性，这可以为制定通用生物修复策略提供依据。
CRediT作者贡献声明
Md. Wahid Murad：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、概念构思。Khalid Shahriar：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理。Md. Miraj Kobad Chowdhury：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。Lamim Muntasir：验证、方法学。Md. Anwar Hossain
数据获取
本研究的数据可向通讯作者Md. Miraj Kobad Chowdhury索取。
资助
该项目由达卡大学大学拨款委员会（DUUGC）的研究资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢达卡大学遗传工程与生物技术系提供的实验室设施。
