北京师范大学李剑团队Science of the Total Environment｜环境胁迫因子影响地下水微生物及其氮循环过程的作用途径及机理研究

文章信息                           

第一作者：李剑 副教授

通讯作者：王金生 教授

通讯单位：北京师范大学

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167004

亮点                                  

•邻苯二甲酸酯（PAEs）影响地下水氮循环过程。

•PAEs通过作用微生物改变氮循环。

•PAEs改变微生物碳水化合物代谢和防御功能。

•揭示了“PAEs环境胁迫-地下水微生物群落调节-氮循环过程改变”的作用途径。

图文摘要

北京师范大学李剑、王金生合作在Science of the Total Environment上发表了题为“Environmental stressors altered the groundwater microbiome and nitrogen cycling: A focus on influencing mechanisms and pathways”的研究论文（DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167004)，基于高通量测序、生信分析方法，结合中介模型，开展环境胁迫因子影响地下水中氮循环过程的作用途径和机理研究。研究在北京市某地下水监测站点筛选出PAEs为地下水主要环境胁迫因子，证实邻苯二甲酸二甲酯（DMP）和邻苯二甲酸二乙酯（DEP）能够显著影响地下水氮循环，尤其是氮循环中的固氮和反硝化过程（p < 0.05）；中介模型分析进一步揭示PAEs通过调节微生物碳水化合物代谢和防御功能，影响功能菌属丰度，调节氮转化功能的中介作用机制；提出环境胁迫因子PAEs对地下水氮循环过程的影响可能通过“PAEs环境胁迫-地下水微生物群落调节-氮循环过程改变”途径来实现。该研究有助于理解环境胁迫因子对地下水生态的影响，为评价地下水环境胁迫因子的生态危害提供科学支撑。

引言                                   

工农业生产和生活等人为活动造成了严重的地下水环境问题。一些侵入含水层的污染物被认为是地下水环境胁迫因子，对地下水生态系统构成潜在威胁。有研究表明随着人为污染物的入侵，含水层的元素循环过程，例如氮循环过程也发生了变化，入侵污染物与元素循环的改变可能存在相关性。微生物广泛参加地下水氮循环过程，并调控多种类型的氮转化反应；课题组前期在北京市某地下水监测站点识别出PAEs为地下水主要环境胁迫因子，并证实其改变地下水微生物群落组成、多样性和功能，因此，可以推测，PAEs可能通过影响地下水微生物，影响地下水氮循环过程，但是，作用途径及作用机理不清。因此，本文基于高通量测序和生信分析技术，结合中介模型，开展环境胁迫因子PAEs影响地下水微生物及其氮循环过程的作用途径及机理研究。

图文导读                              

Fig. 1. (A)地下水氮循环示意图；(B)地下水中主要氮转化功能丰度百分占比；(C)各采样点反硝化功能基因丰度百分占比（ANR和DNRA分别表示同化硝酸盐还原作用和异化硝酸盐还原作用）。

采集北京市某地下水监测站点水样，通过高通量测序和生信分析，开展地下水氮转化功能识别，查明地下水中主要的氮转化功能包括反硝化作用、异化硝酸盐还原作用、同化硝酸盐还原作用、硝化作用及固氮作用。其中反硝化是主要的氮转化功能，丰度占比达到54.2%，主要的反硝化功能基因为narH和narG。

Fig. 2. category 1和category 2氮转化功能(A)、反硝化功能基因(B)和固氮功能基因(C)丰度组间差异分析(*p < 0.05; **p < 0.01)。

Fig. 3. (A) 环境因子与氮转化功能基因间的冗余分析；(B)功能基因、功能微生物与PAEs相关性分析 (*p < 0.05; **p < 0.01; ***p < 0.001)；R为相关系数。

差异分析及冗余分析的结果证实PAEs影响地下水氮循环，特别是固氮和反硝化过程。高PAEs浓度组（category 1）固氮和反硝化功能丰度显著低于低PAEs浓度组（category 2；p < 0.05；Fig. 2A）；且高浓度组相较于低浓度组反硝化功能基因（napA、napB）和固氮功能基因（nifH、nifH、nifD、nifK）丰度显著降低（p < 0.05；Fig. 2B、C），表明PAEs可能抑制地下水的固氮和反硝化功能。冗余分析表明，反硝化和固氮功能基因丰度受pH、DMP和DEP调节，相关性分析进一步证实基因丰度与DMP、DEP和ΣPAEs浓度间呈显著负相关关系（p < 0.05），表明两组地下水样品氮转化功能的差异可能与PAEs的组成和浓度不同有关。

Fig. 4. category 1和category 2功能微生物（属水平）组成分析(A)和组间差异分析(B) (*p < 0.05; **p < 0.01; ***p < 0.001)；(C) PAEs与功能微生物相关性分析 (*p < 0.05; **p < 0.01; ***p < 0.001)；R为相关系数。

Fig. 5. (A) PAEs、功能微生物和功能基因之间共现网络分析；(B) PAEs、功能微生物和差异COGs之间共现网络分析。

识别出氮转化功能微生物如Fig .4A所示，差异分析证实，两组地下水样品氮转化功能微生物的群落组成存在显著差异（p < 0.05；Fig .4B）；其中category1组Vogesella、 Dechloromonas、Acidovorax等功能菌属的丰度较category2组显著降低（p < 0.05；Fig .4B）。开展功能微生物与PAEs的相关性分析和共现网络分析，结果表明PAEs、氮转化功能菌属及氮转化功能基因之间存在显著的相关关系，其中，DMP和DEP与大多数氮转化功能菌属和氮转化功能基因丰度间呈显著的负相关，氮转化功能菌属和氮转化功能基因间呈显著正相关关系（p <0.05；Fig .5A），由此，可以初步推测，PAEs可能通过改变氮转化功能微生物丰度实现对于地下水氮转化功能，特别是反硝化功能和固氮功能的调节。

应用中介模型进一步揭示PAEs影响地下水氮转化过程的作用途径和机理，分析结果证实了PAEs可以通过完全中介或部分中介作用，改变关键功能菌属丰度，进而调节氮转化功能，识别出“PAEs环境胁迫-地下水微生物群落调节-氮循环过程改变”的作用途径。

Fig. 6. category 1和category 2“碳水化合物运输与代谢”(A)“防御机制”(B)COGs丰度差异分析(*p < 0.05; **p < 0.01)。

进一步探究了PAEs影响功能微生物的生物地球化学过程。差异分析结果表明，category1组中碳水化合物代谢和防御功能丰度显著高于category2 （p < 0.05；Fig .6）。共现网络分析进一步证实了PAEs、差异功能与功能微生物之间的相关关系：DMP和DEP与差异功能间表现出显著的正相关（p < 0.05，Fig .5B），差异功能与功能微生物，特别是关键菌属呈显著的负相关（p <0.05），表明PAEs可能通过调节微生物碳水化合物代谢和防御功能，影响功能菌属丰度。

小结                                  

本研究探究了北京市某地下水监测站点地下水环境胁迫因子PAEs对氮循环过程的影响机制和途径。研究表明PAEs可能通过调节微生物碳水化合物代谢和防御功能，改变氮转化功能微生物丰度，进而影响地下水氮转化功能，特别是固氮和反硝化功能，揭示了“PAEs环境胁迫-地下水微生物群落调节-氮循环过程改变”的作用途径。研究有助于深刻理解PAEs对地下水氮循环过程的影响及机制，为全面评估地下水环境胁迫因子的生态危害提供科学依据。

作者介绍                              

第一作者：李剑 博士，副教授、博士生导师，现任职于北京师范大学水科学研究院。主要从事生态/健康风险评价、地下水污染监测与评价研究。在国内外期刊论文共计80余篇，其中SCI 期刊论文30余篇，EI及核心期刊论文50余篇；出版专著4部，授权国家发明专利14项，获得省部级奖励4项；入选北京市青年英才计划。主持/参加国家、省部级科研项目30余项，包括国家自然科学基金、高等学校博士学科点专项科研基金等。

通讯作者：王金生 博士，教授、博士生导师，现任职于北京师范大学水科学研究院。主要从事水环境模拟与污染控制的科研与教学工作。主持完成：“973”课题、国家重大专项课题、国家自然科学基金重点与面上项目，中美、中德、中日、中意等多国合作项目，以及环保部、水利部、国土资源部等部委科研项目50多项。在地下水流与水质迁移数值模拟、地下水更新能力、核废物处置的地下水环境安全评价方面获得了创新性研究成果。在国内外发表学术论文和专著260余篇（部），被三大检索系统收录的论文50余篇，获得国家发明专利10余项，培养了一批环境科学、地下水科学与工程领域的硕士、博士和博士后研究人员。曾获得国土资源科学技术二等奖、北京市科技进步一、二等奖以及省级优秀勘察成果等科研奖励10余项。