文章题目：Sanitary landfill improved CNPS microbial functional gene abundance compared to non-sanitary landfill
期刊：Journal of Soils and Sediments
发表时间：2019年7月
PART/1
研究背景
在现代社会，城市垃圾的处理成为了一个重要的环境议题。每天大量的城市垃圾被运往垃圾填埋场进行堆肥处理，这一过程悄然改变着垃圾填埋场覆盖土壤微生物群落的结构和组成。在我国，符合卫生标准的垃圾填埋场为了减少对环境的危害采用了一系列防护措施，如高密度聚乙烯膜和土工复合材料，以及完善的排水和防污染衬垫系统等。然而，部分城市仍然存在不符合卫生标准填埋场，由于缺乏防护设施，有毒气体和渗滤液直接排放到土壤中，通过一系列化学反应，产生了CH4、CO2、NH3、N2O和H2S等有害气体；同时，外源有机化合物和重金属也是主要的毒性来源，这些不仅对土壤造成污染，破坏土壤微生物群落的平衡，还威胁着人类的健康，所以探究有效的治理方式势在必行。
微生物在养分循环中发挥着关键作用，其功能基因丰度的变化对于了解土壤生态系统的健康和稳定性具有重要意义。但目前对于碳、氮、磷、硫（CNPS）功能基因的了解还不够全面，其相对丰度和趋势仍有待探索。高通量定量聚合酶链式反应（qPCR）芯片技术的出现，为精确、高效地检测大量功能基因提供了可能，同时为垃圾填埋场的优化管理和环境保护提供了科学依据。
PART/2
研究思路
PART/3
研究结果展示
土壤性质
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以及用于模板制作。
XIUMI
结果表明，符合卫生标准的垃圾埋场和不符合卫生标准的垃圾填埋场覆盖土壤均呈碱性，符合卫生标准的垃圾填埋场土壤 pH 值更稳定，DOC、AN 和 AS 含量略高，但是，六种重金属含量在两种垃圾填埋场类型间无显著差异，且均低于中国土壤环境质量二级标准。
表1 SL和NSL垃圾填埋场覆盖土壤的基本性质和重金属含量
NSL和SL中的1、2、3分别表示表层土、底土和深层土，下同。a、 b表示在以下条件下土壤样本之间的显著差异P<0.05。
CNPS 功能基因
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C循环
检测基因及其功能：共测量了35个参与碳循环的功能基因（图1）。结果显示：在40-60cm土壤样本中未检测到参与淀粉降解的 amyX 和 Isop 基因；参与纤维素降解的 naglu 基因和参与几丁质降解的exc基因；在 SL 表层土壤中，参与木质素降解的pox基因和 mcrA 基因丰度显著高于 SL 表层土壤；在NSL和SL的底土中，与淀粉降解有关的基因gam；参与半纤维素降解的基因ablf、manA和xylA；参与木质素降解的基因lig和mnp；参与C固定的基因aclB、acsA、acsE、korA、mct和rbcL；参与甲烷产生的基因emGDH以及在甲烷氧化中起作用的基因mmox和pmoA在基因丰度上存在显著差异（P<0.05）。就深层土壤而言，除pox基因，SL的所有基因的丰度均显著高于NSL（P<0.05）。
基因丰度变化趋势：在NSL和SL中检测到的C循环基因的平均拷贝数分别为1.48×109copies/g和2.98×109copies/g。从SL表层土到深层土，C降解、C固定以及甲烷代谢相关基因丰度呈下降趋势。这些基因在NSL表层土和底土之间差异不大，但在深层土中基因丰度明显降低。除此之外，在深层土，除pox基因外，SL组所有基因丰度显著高于NSL 组。
图1垃圾填埋场土壤中碳功能基因丰度。a碳降解基因丰度。A、 B、C、D、E和F分别表示与淀粉、半纤维素、纤维素、果胶、几丁质和木质素有关的基因。b固碳和甲烷代谢基因丰度；A、 B和C分别表示与碳固定、产甲烷和甲烷氧化相关的基因。*、**和***分别表示土壤样本之间的显著差异P<0.05、P<0.01和P<0.001。误差棒表示土壤沉积物基因丰度的标准偏差（n=3）。
N循环
检测基因及其功能：检测了参与氮循环过程的22个基因，如固氮、硝化、反硝化、氨化和氮氧化还原等。
基因丰度变化：在不符合卫生标准或符合卫生标准的垃圾填埋土壤中均未检测到hzo和hzsA基因（图2a）。NSL和SL中检测到的N循环基因的平均拷贝数分别为每克土壤1.42×109 copies/g和2.82×109 copies/g。对这20个基因在3个土壤层中的丰度进行比较后发现，SL和NSL的表层土壤基因丰度没有显著差异。然而，在SL底土中，nifH、amoA1、amoB、nirK2、nirS、nosZ、ureC和gdh基因的丰度显著较高（P<0.05）。在SL深层土壤中，除nxrA基因外，其他所有检测到的基因的丰度均显著较高（P<0.05）。
P循环
参与基因及功能：检测了与磷矿化、增溶、生物合成和水解相关的9个功能基因。
基因丰度变化：检测到7个基因（不包括bpp和cphy基因），NSL和SL中检测到的P循环基因的平均拷贝数分别为1.82×109 copies/g和3.54×109 copies/g（图2b）。SL表层土壤中phoD和ppx基因丰度明显较高。在SL底土中，磷矿化相关基因phnk和phoD以及磷水解相关基因ppx显著较高。另外，检测的所有基因在SL深层土的丰度均显著高于NSL深层土（P<0.01）。
S硫循环
参与基因及功能：共检测5个基因，其中3个基因（apsA、dsrA和dsrB）与硫还原有关，2个基因（SoxY和edZ）与硫氧化有关。
基因丰度变化：NSL和SL中检测到的S循环相关基因的平均拷贝数分别为1.51×109 copies/g和3.02×109copies/g（图。2c）。在40-60cm土层中apsA基因在SL 的表达水平显著较高（P<0.05）。在SL底土和深层土壤中，SoxY和YedZ基因丰度显著较高（P<0.05），且SL深层土壤中dsrA和dsrB基因丰度显著高于NSL（P<0.05）。
图2垃圾填埋场土壤中的基因丰度。a参与N循环的功能基因。A、 B、C、D、E、F、G和H分别表示固氮、硝化、反硝化、氨化、厌氧铵氧化、同化氮还原、异化氮还原和有机氮矿化相关的基因。b 参与P循环的功能基因。A、 B、C和D分别表示磷矿化、增溶、生物合成和水解相关的基因。c 参与S循环的功能基因。*、**和***分别表示土壤样本之间的显著差异P<0.05、P<0.01和P<0.001。误差条表示基因丰度的标准偏差（n=3）。
基因丰度与土壤性质的相关性
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XIUMI
为了评估CNPS功能基因与土壤性质之间的相关性，通过Mantel检验进行验证（表2）。结果表明，功能基因与一些环境因素显著相关（P<0.05），尤其是pH、DOC、AN和AS。此外，单独验证C、N、P和S基因和pH、DOC、AN、AP和AS，结果显示，除AP外，所有营养元素的利用性均与CNPS功能基因丰度显著相关（P<0.05）。最显著的因素是AN（P=0.001）。微生物基因与DOC或AS的相关性较弱（P<0.05）。并且，土壤中存在的六种重金属均与CNPS基因丰度没有显著关系。
表2:CNPS功能基因丰度和土壤的Mantel检验化学性质。
利用VPA分析方法，通过15种土壤化学性质（SOM、DOC、TN、TP、TS、AN、AP、AS、Cu、Cd、Cr、Zn、Ni和Hg）阐明CNPS基因丰度的百分比方差。结果表明，6种重金属和9种基本性质分别占总方差的14.1%和62.3%（图3a），pH值和DOC分别占总方差的11.2%和26.9%（图3b），AN贡献了总方差中的56.9%，7种基本性质（SOM、DOC、TN、TP、TS、AP和AS）占总变异的55.3%，AN与7种基本属性之间的相互作用占总方差（图3c）的53.8%。Mantel检验和VPA结果表明，AN（尤其是AN）、DOC和pH是与CNPS功能基因丰度相关的主要因素。
图3基于高通量QPCR所检测CNPS功能基因丰度的VPA分析。土壤基本性质包括pH、SOM、DOC、TN、AN、TP、AP、TS和AS；土壤重金属有Cu、Cd、Cr、Zn、Ni和Hg。数字代表这些因素占总变量的百分比。七种基本土壤性质是SOM、DOC、TN、TP、AP、TS和AS。
PART/4
总结
本研究表明，符合卫生标准的垃圾填埋场能提高 CNPS 微生物功能基因丰度，与以往研究对比，本研究中垃圾填埋场表层土壤的 CNPS 功能基因丰度高于农场和河流沉积物表层土壤；同时，填埋类型也会影响功能基因丰度，不符合卫生垃圾填埋场因缺乏防护导致长期有毒厌氧环境，抑制了微生物功能基因表达；其次，土壤深度是影响基因丰度的重要因素，深层土壤因厌氧条件限制微生物活性，导致基因丰度下降；本研究中功能基因丰度与土壤 pH 值、DOC、AN 和 AS 显著相关，土壤重金属影响不明显（可能是由于所取样本中的重金属浓度低）。本研究借助高通量 qPCR 芯片技术，成功揭示了符合卫生标准的垃圾填埋和不符合卫生标准的垃圾填埋场中 CNPS 微生物功能基因丰度的差异及其与土壤性质的关系。该技术的应用为垃圾填埋场的科学管理和生态保护提供了精确而全面的数据支持，展示了其在环境微生物研究领域的巨大潜力。
基因工程产品目录
基因定量服务 | 高通量qPCR芯片、常规相对定量（mRNA,microRNA,lncRNA,circRNA,外泌体定量等）、常规绝对定量（微生物多样性、功能基因） |
生物指标检测服务 | 土壤类、植物类、食品类、水质类、污染类、医学类、液相、气质、离子色谱 |
SNP分型服务 | Kasp法、Sanger测序法、SNaPshot法 |
PCR重测序服务 | 物种鉴定、目的基因扩增测序、PCR产物测序 |
基础分子生物学服务 | 引物合成、标记探针引物合成、一代测序、PCR扩增 |
表观遗传研究 | 甲基化BSP检测 |
毛细管电泳分型服务 | SSR引物开发、微卫星多态性分析、MSI检测、STR跑板、细胞系鉴定 |
分子克隆服务 | 全基因合成、PCR克隆、TA克隆、定点突变、RNA合成 |
蛋白互作验证服务 | 核体系酵母单杂/双杂、膜体系酵母双杂、点对点验证 |
蛋白测定服务 | 酶联免疫吸附（Elisa） |
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END
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上海派森诺生物科技股份有限公司成立于2011年4月，是一家致力于为生命科学、健康医学等领域提供微生物组、基因组、转录组、单细胞及蛋白代谢等多组学分子生物学技术服务及大数据挖掘与分析服务的高新技术企业，是国家级专精特新“小巨人”企业、国家知识产权优势企业、上海市“科技小巨人”企业。公司总部位于上海，设有多家全资子公司，实验及办公面积逾15,000m2。
公司建立了完善的基因测序平台和大数据云计算平台，具有完全自主研发的创新技术和成果，派森诺生物及所属子公司已取得授权及受理专利、软件著作权250余项；合作项目论文多次发表在Nature、Lancet等国际生命科学、医学权威期刊，联合署名发表的SCI文章超1,500篇，累计影响因子超过10,000分。公司在全国31个省市设立了销售网点，业务网络覆盖亚洲、欧洲、大洋洲等多个国家，与全球500多所高校、300多家医院及600多家科研机构建立了紧密合作关系。
派森诺生物作为基因检测、蛋白代谢检测及大数据分析、体外诊断试剂开发的服务商，始终秉承“解析基因序列，诠释生命密码，改善人类生活”的企业使命，致力于为广大生命科学、医学工作者提供包括高通量基因测序、临床医学基因检测、蛋白及代谢组检测分析、生物信息学服务、生物云计算、分子生物学实验等科研及临床应用解决方案。
