第一作者：Enhui Wu
通讯作者：Baoliang Chen
通讯单位：浙江大学环境与资源学院
中文标题：全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 胁迫下土壤微生物群落的代谢和微生物分析.
英文标题：Metabolic and Microbial Profiling of Soil Microbial Community under Per- and Polyfluoroalkyl Substance (PFAS) Stress.
摘要详文
全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 对生物体造成显著压力，并且已知会破坏微生物群落结构和功能。然而，需要详细了解土壤微生物群落在代谢水平上对 PFAS 胁迫的反应。在这里，我们将基于 UPLC-HRMS 的代谢组学数据与含氟聚合物生产设施附近收集的土壤样本中的 16S rRNA 和 ITS 扩增子数据进行整合，以直接识别微生物代谢途径中的生化中间体以及 PFAS 胁迫下与微生物群落结构的相互作用。观察到代谢物和微生物多样性之间存在很强的相关性，这表明土壤代谢物谱和微生物群落结构以及相对于设施的采样位置存在显着变化。在代谢物-PFAS共现网络中鉴定出了某些关键代谢物，它们对微生物代谢起作用，包括脂质代谢、氨基酸代谢和次级代谢物生物合成。这些结果为了解 PFAS 污染对土壤代谢组和微生物组的影响提供了新的见解。我们认为土壤代谢组学是一种信息丰富且有用的工具，可用于强化微生物生态性状破坏的化学证据。
图文摘要
文章简介
PFAS对土壤微生物群落的影响与PFAS污染物的含量、成分和影响时间有关，短期实验室研究结果很难在实际污染土壤中得到证实。因此，在这里，我们通过超高效液相色谱 (UPLC) 与 QTOF MS 联用对代谢组学数据进行综合分析，并通过 16S/ITS 扩增子测序对基因组数据进行综合分析，对在含氟聚合物制造设施附近现场获得的土壤样本进行分析。该工厂自2003年起开始运行一条采用全氟辛酸（PFOA）铵盐作为分散剂的聚四氟乙烯生产线。这项工作集中在三个主要任务上：（1）调查污染源周围土壤中PFAS污染物的空间分布，（2）说明代谢物概况和微生物群落结构的空间相关响应，并揭示代谢物-微生物相关性，（3）在代谢物和微生物的共现网络中识别 PFAS 污染土壤中的关键代谢物。 PFAS并探索相关的微生物代谢途径。通过调查 PFAS 在土壤中引起的微生物代谢变化，本研究旨在阐明代谢组学和微生物群落分析的结合，以加强 PFAS 对微生物生态性状破坏的化学证据。
图文内容
图 1.(a) 中国衢州一家含氟聚合物工厂周围的采样点。(b) 各场所的ΣPFAS、PFOA含量。
图 2. (a) 注释代谢物按保留时间（分钟）和 m/z 值的分布。密度图显示了代谢物在保留时间跨度（上）和 m/z 跨度（右）上的分布。(b) 所有样品中带注释的代谢物的分类。图中的数字代表已鉴定的代谢物的数量。(c) 注释代谢物的相似性热图和层次聚类。代谢物之间的相似性定义为皮尔逊相关系数，每个簇中的代谢物具有相似的分布模式。
图 3.代谢物和微生物多样性分析。Alpha 多样性：箱线图和须线图显示了 (a) 代谢物概况、(b) 细菌群落和 (c) 真菌群落的香农指数，按采样地点分组。Beta 多样性：使用 ANOSIM 测试的 NMDS 图说明了 (d) 代谢物谱、(e) 细菌群落和 (f) 真菌群落中 β 多样性的聚类和差异。
图 4.(a) 使用 Spearman 相关性的代谢物共现网络，网络模块用颜色表示。(b) 与模块 4 中的污染物（ΣPFAS 和 PFOA）直接或间接相关的代谢物。(c) 位置（视为虚拟变量，其中 true = 1 和 false = 0）与网络模块中读数呈现之间的相关性。
图 5.(a) 关键代谢物发现工作流程。(b) PFAS 胁迫下土壤微生物代谢变化和生物效应的推测示意图。
主要发现
对基于 UPLC-HRMS 的代谢组学数据以及 16S rRNA 和 ITS 扩增子数据进行了综合分析，以了解微生物对土壤中 PFAS 胁迫的反应。我们的研究成功确定了将 PFAS 输入与微生物代谢变化联系起来的关键代谢物。代谢物与PFAS共现网络中的关键代谢物主要在脂质代谢、氨基酸代谢和次生代谢物生物合成中发挥作用。代谢物和微生物多样性的相关分析显示土壤样品中代谢物与微生物群落之间存在很强的关联，联合分析证明了整合代谢组学和微生物基因组学来区分样品差异的能力。为此，我们提出了一种将代谢组学纳入微生物群落分析的综合方法，以加强微生物群落生态特征破坏的化学证据。这些结果表明 PFAS 污染物对土壤代谢组和微生物组有重大影响，这对于支持土壤健康至关重要。然而，这项观察性研究存在局限性，例如源自多变量统计和基于相关性分析的微生物代谢变化具有高度推测性，无法确定个体 PFAS 应激与代谢途径之间的明确相互作用。
此处观察到的单个和多个 PFAS 对微生物和代谢途径影响的实验验证非常重要，值得在未来进行深入探索。我们还注意到，有针对性的分析仅检测和量化了一些 PFAS 污染物，这不足以充分表征污染场地的 PFAS 负担。因此，PFAS 污染对环境的影响可能被低估。此外，非针对性分析可能会导致代谢物鉴定出现假阳性，从而增加结果的不确定性。此外，土壤样本的复杂基质不允许我们完全识别代谢途径。因此，有必要开发更高分辨率的技术（例如单细胞代谢组学）来研究新兴污染物对土壤微生物生态影响的深入分子机制。
文章DOI：10.1021/acs.est.3c07020
论文