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2021-06-15 19:13:08, 多层组学定制服务 上海欧易生物医学科技有限公司


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导读


近年来罗学刚教授课题组一直致力于环境生物技术、污染控制与生物修复、生物资源化利用等研究,并取得了众多成果。

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2021年5月,欧易/鹿明生物客户西南科技大学生物学研究生杨旭为第一作者,张宇副教授为通讯作者)课题组在中科院环境科学一区Environmental Pollution期刊发表了题为Microbial community structure and metabolome profiling characteristics of soil contaminated by TNT, RDX, and HMX”的研究成果,通过16S rRNA测序非靶向代谢组学研究方法,揭示了典型炸药对土壤微生物群落和土壤代谢谱的影响,为爆炸物污染土壤的生态风险评估提供了可靠的参数,为这些污染物的环境管理提供了科学依据。



中文标题:TNT、RDX和HMX污染的土壤其微生物群落结构及代谢组学特征

研究对象:炸药暴露的土壤

发表期刊:Environmental Pollution

影响因子:6.793

发表时间:2021年5月

研究单位:西南科技大学

运用关键技术:非靶向代谢组学、16S rRNA测序

文章中非靶向代谢组学、16S rRNA测序皆由欧易/鹿明生物提供技术支持


● 研究背景


炸药在生产、运输和军事使用过程中,产生大量污染物并转移到土壤中,造成严重的环境污染。主要污染物为三硝基甲苯 (TNT)、环三亚甲基三硝胺 (RDX) 和环四亚甲基四硝胺 (HMX)。这些炸药在土壤中具有稳定性、吸附性和疏水性,难以迁移和转化,导致长期土壤污染。外源物质进入土壤会引起土壤微生物的快速反应,改变微生物种群的结构和功能。因此,了解土壤微生物对爆炸物暴露的反应非常重要,可为修复受爆炸物污染的土壤提供参考。当前对TNT、RDX和HMX或其组合对土壤主要微生物行为的抑制作用和土壤微生物组成变化尚缺乏报道。此外土壤代谢组学可以提供土壤微生物代谢特征。然而使用代谢组学来评估爆炸物胁迫导致的土壤生态代谢变化的研究相对较少。


研究技术路线



● 研究结果


1.土壤炸药降解率

土壤经过40天的炸药处理后,部分炸药在微生物的作用下降解。TNT组土壤中TNT的降解率为15.07±0.70%;RDX组土壤RDX降解率为7.93±0.80%;HMX组土壤HMX的降解率为5.63±0.74%;混合组土壤中TNT、RDX和HMX的降解率分别为12.43±0.55%、6.73±0.45%和5.20±0.36%。(表1)


表1 | 炸药处理土壤40天后的炸药降解率


2.土壤呼吸作用和酶活性的响应水平

暴露于爆炸物40天后土壤微生物呼吸和酶活性的响应如图1所示。与对照组相比,TNT、RDX、HMX和混合组的土壤微生物呼吸强度显著降低了80.2%、63.8%、70.3%和96.2%(图 1A)。与对照组相比,TNT、RDX和混合组土壤脲酶活性分别降低了53.3%、75.0%和43.3%,而HMX组的土壤脲酶活性无显著变化(图1B)。RDX组酸性磷酸酶活性显著低于对照组(66.4%),但其他组无显著变化(图1C)。TNT组土壤蔗糖酶活性显著低于对照组(38.2%),而HMX组蔗糖酶活性显著高于对照组(2.22倍)。RDX组和混合组的土壤转化酶活性没有发现显著变化(图 1D)。HMX组的过氧化氢酶活性是对照组的1.48倍,但其他组没有显著变化(图 1E)。炸药暴露显著抑制了土壤脱氢酶活性,TNT、RDX、HMX和混合组的活性分别降低了39.3%、53.2%、32.5%和62.2%(图 1F)

图1 | 爆炸物暴露对土壤微生物的影响


微生物呼吸强度(A)、脲酶活性(B)、酸性磷酸酶活性(C)、蔗糖酶活性(D)、过氧化氢酶活性(E)和脱氢酶活性(F)


3.土壤微生物群落结构分布

OTU分布韦恩图表明五组中共有的OTU数量为4944个,数量上超过了每组特异的OTU(图2A)如图2B所示,不同样品的稀释曲线趋于平滑,表明测序数据量合理,反映了样品中微生物的多样性。PCA结果显示TNT组和混合组的聚集位置与对照组相比有显著变化,而RDX组和HMX组与对照组接近,因此土壤对TNT暴露的反应比RDX和HMX更强(图 2C)。α多样性分析表明,TNT、HMX和混合组的Chao1指数显著低于对照土壤(图2D)。TNT污染土壤(TNT组和混合组)中微生物群落Shannon指数显著低于其他处理组(图2E)。TNT改变了微生物群落中优势物种的组成,导致其他处理组的Simpson指数显著降低(图 2F)

图2 | 不同炸药处理过的土壤中细菌操作分类单元(OTU)数量


韦恩图(A)、土壤细菌群落稀释曲线(B)、土壤细菌群落多样性主成分分析(C)。微生物α多样性分析:Chao 1指数(D)、Shannon(E)、Simpson(F)。门级(G)样本群落结构直方图,类级(H)样本群落结构直方图。


4.LEfSe 分析

不同物种对差异贡献的分析结果如图3A所示(LDA得分> 4)。对照组土壤含有6个丰富的细菌分支;TNT组土壤包含四个丰富的细菌分支;RDX土壤中Actinobacteria是丰度的细菌分支;HMX组土壤含有8个丰富的细菌分支。作者对所有土壤样品中具有显著差异的物种进行了注释和分析(图 3B)。与对照组相比,TNT组和混合组Acidobacteria的丰度分别显著降低了25.97%和41.94%,Actinobacteria的丰度分别显著降低了34.16%和19.25%。Gemmatimonadetes在TNT、HMX和混合组中的丰度显著低于对照组。在TNT组和混合组中,Proteobacteria的丰度显著增加了1.27倍(图 3C)

图3 | 不同物种的得分图(A)、注释分支图(B)和不同炸药处理的土壤相对丰度直方图(C)


5.暴露于爆炸物的土壤代谢特征

LC-MS非靶向代谢组学分析揭示了五组土壤样品中共有3504种代谢物。PCA结果显示不同处理组的聚集位置存在明显差异,表明土壤代谢谱响应爆炸物后发生显著变化(图4A)。OPLS-DA模型(VIP > 1, p < 0.05)确定了TNT组中的184个差异代谢物,RDX组中的108个差异代谢物,HMX组中的153个差异代谢物,混合组中有185个差异代谢物(图 4B-E)。韦恩图表明有59个共表达的差异代谢物,可作为潜在的生物标志物(图 4F)图4G显示了前50个差异代谢物的热图。

图4 | 不同炸药处理土壤的微生物代谢谱


6.差异代谢物的代谢通路和表达模式分析

如图5所示,暴露于单一炸药或混合炸药的土壤产生的前四个差异代谢物富集类别是有机酸及其衍生物、脂质和类脂质分子,有机氧化合物和有机杂环化合物(organoheterocyclic)。使用差异代谢物KEGG ID进行的通路富集分析显示,TNT与对照组相比,前三个富集通路是磷酸转移酶系统(PTS)、果糖和甘露糖代谢以及亚油酸代谢;RDX与对照组相比前三个富集通路是PTS、半乳糖代谢和甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢;HMX与对照组相比前三个富集通路是PTS、ABC转运蛋白和酒精中毒;混合组与对照组相比前三个富集通路是半乳糖代谢、PTS以及果糖和甘露糖代谢。暴露于单一爆炸物和复合爆炸物的土壤中前三种代谢通路的差异代谢物如图6所示。

图5 | 差异表达代谢物的代谢通路和表达模式分析


图6 | 前三种富集通路中涉及的差异代谢物


7.炸药改变土壤的基本代谢网络

如图7所示,暴露于单一爆炸物或混合爆炸物后,土壤初级代谢网络(碳水化合物、氨基酸和脂质)显著失衡。炸药处理显著抑制了半乳糖代谢,嘌呤和嘧啶代谢。TNT和混合组中鸟嘌呤的表达上调。RDX和HMX组中D-葡萄糖的表达上调。脂质生物合成通路显示肉豆蔻酸代谢响应于爆炸物暴露而显著增强。

图7 | 土壤碳水化合物、氨基酸和脂质的代谢网络


8.土壤酶活性与土壤代谢的关系

土壤微生物群落结构与环境因素的关系如图8所示。TNT组中脱氢酶活性、脲酶活性和蔗糖酶活性是影响土壤代谢的最重要因素(图 8A)。RDX组中过氧化氢酶活性是影响土壤代谢的最重要因素(图8B)。HMX组中脱氢酶活性和蔗糖酶活性是影响土壤代谢的最重要因素(图8C)。在混合土壤中,脲酶活性是影响土壤代谢的最重要因素(图 8D)

图8 | RDA揭示了土壤酶活性与土壤代谢之间的关系


9.土壤微生物与土壤代谢相互作用网络

如图9所示,与RDX和HMX组(图9B和C)相比,TNT和混合组(图9A和D)形成了更紧密、更活跃的相互作用网络。Bryobacter、Haliangium、MND1、Gemmatimonas、Ellin6067等细菌主要与TNT组中的网络相连,并与半乳糖醇、northienamycin、PI-Cer(t20:0/26:0)等代谢物发生强烈相互作用。

图9 | 暴露于爆炸物的土壤中不同微生物群和不同代谢物的共生网络


研究结论


本研究中作者分析了用不同炸药处理土壤后土壤生态系统的变化,重点关注土壤酶活性、微生物多样性和土壤代谢组学。土壤暴露于爆炸物显著降低了土壤微生物呼吸强度、脲酶活性和脱氢酶活性,同时显著改变了土壤微生物群落结构。代谢组学分析表明,土壤中的炸药以脂类和类脂分子以及有机酸和衍生物的形式诱导差异代谢物,同时也会导致碳水化合物、脂类和氨基酸的代谢失衡。该研究为爆炸物污染土壤的生态风险评估提供了可靠的参数,为这些污染物的环境管理提供了科学依据。


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文旨在评估典型炸药的生态毒性及其在土壤微环境中的作用机制。作者分析了土壤中土壤酶活性和微生物群落结构和功能的变化,并通过非靶向代谢组学揭示了炸药对土壤代谢谱的影响。结果表明土壤中残留的TNT、RDX和HMX可以抑制土壤代谢过程,改变土壤微生物群落结构。该文章的合作作者罗学刚教授已是第5次与欧易/鹿明生物合作发表文章,本次将代谢组学技术成功应用在生态环境研究中,体现了组学技术可广泛应用于各个研究领域。


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文末看点lumingbio

上海鹿明生物科技有限公司多年来,一直专注于生命科学和生命技术领域,是国内早期开展以蛋白组和代谢组为基础的多层组学整合实验与分析的团队。特别恭喜欧易/鹿明生物客户罗学刚教授课题组高产发文~~

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参考文献:

Xu Yang et al. Microbial community structure and metabolome profiling characteristics of soil contaminated by TNT, RDX, and HMX. Environ Pollut. 2021 May 31;285:117478.


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云起 撰文

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