馬永凱, 陶宏兵,2, 李文茹, 謝小保*, 施慶珊, 周少璐
1.廣東省微生物研究所, 華南應(yīng)用微生物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 廣東省菌種保藏與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510070;2.廣東迪美生物技術(shù)有限公司,廣州510663
水性涂料是一種較為常見(jiàn)的新型涂料,一般用水作溶劑或分散介質(zhì),因其來(lái)源廣、成本低、無(wú)毒無(wú)刺激及易清洗等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于裝飾、船舶、汽車等行業(yè)。然而與其他涂料相比,水性涂料中的水介質(zhì)以及纖維素、環(huán)氧樹脂等高分子材料也使得其更易受到環(huán)境中微生物的污染,導(dǎo)致產(chǎn)品變質(zhì),出現(xiàn)變色、異味、粘度下降等現(xiàn)象,這不僅給經(jīng)銷商增加了退換貨的物流、人力成本,也給生產(chǎn)商造成了不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失[1~3]?,F(xiàn)階段,為了防控水性涂料產(chǎn)品受微生物的侵害,大部分廠家采取的措施為提高防腐劑使用量,但是,由于原材料來(lái)源、操作工藝和生產(chǎn)環(huán)境的不同,不同廠家的水性涂料產(chǎn)品發(fā)生微生物污染的種類有較大差別[4,5]。不同種類的微生物代謝產(chǎn)物導(dǎo)致產(chǎn)品腐敗變質(zhì)的性質(zhì)與傳統(tǒng)防腐劑的有效性息息相關(guān)。因此,對(duì)變質(zhì)的水性涂料中的微生物群落進(jìn)行檢測(cè)和全面分析是很有必要的,同時(shí)這對(duì)建立水性涂料的微生物防控體系也具有重要的指導(dǎo)意義。
通過(guò)傳統(tǒng)的微生物純培養(yǎng)對(duì)水性涂料進(jìn)行微生物群落組成及多樣性分析,存在工作量較大、周期較長(zhǎng)、分離所得微生物重要性被過(guò)高估計(jì)以及可能遺漏潛在的重要有害污染微生物等缺點(diǎn)。而且,自然界中有一部分微生物種群難以被分離純培養(yǎng),導(dǎo)致傳統(tǒng)的微生物純培養(yǎng)方法在樣品群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析應(yīng)用方面存在較大局限性[6~8]。近年來(lái),隨著高通量測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展,測(cè)序成本不斷降低,利用Illumina公司開(kāi)發(fā)的16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地獲得樣本中微生物群落組成的結(jié)構(gòu)信息,通過(guò)生物信息學(xué)分析還可進(jìn)一步挖掘出樣品中微生物群落相互之間的進(jìn)化規(guī)律,因此能更好的防控樣品受到環(huán)境中微生物的污染。此外,高通量測(cè)序技術(shù)還可以檢測(cè)到傳統(tǒng)的微生物純培養(yǎng)方法在實(shí)驗(yàn)室條件下不能培養(yǎng)的細(xì)菌種群[9~12],可見(jiàn)該技術(shù)在涂料樣品中微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析方面具有廣闊的應(yīng)用前景?;诖?,本研究以水性涂料中微生物群落為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行16S rRNA高通量測(cè)序,分析群落結(jié)構(gòu)組成、相對(duì)豐度和多樣性,以期明晰水性涂料中微生物群落結(jié)構(gòu)組成情況,為建立水性涂料有效防腐體系提供數(shù)據(jù)與理論支撐。
本研究所用的水性涂料樣品由廣東省某涂料公司提供,且這些樣品均有一定程度的脹罐、異味等腐敗變質(zhì)現(xiàn)象,分別被命名為XJ1、XJ2、YH3和YH4,各設(shè)3個(gè)平行。
DNA提取試劑盒、DNA純化試劑盒、瓊脂糖、TBE緩沖液及DNA Marker均購(gòu)于生工生物工程(上海)股份有限公司;其他生化試劑均為分析純,購(gòu)于廣州化學(xué)試劑廠。NanoDrop超微量核酸定量?jī)x(美國(guó)賽默飛世爾科技公司);超純水儀(美國(guó)Millipore公司);電泳儀(北京六一生物科技有限公司)。
將4種水性涂料樣品分別溶解在滅菌的去離子水中作為各自的樣本,然后按照DNA提取試劑盒的操作說(shuō)明提取總DNA,并用DNA純化試劑盒純化已提取的DNA樣本。隨后,通過(guò)1.0%瓊脂糖凝膠電泳驗(yàn)證其完整性,同時(shí)用超微量核酸定量?jī)x檢測(cè)其濃度及OD260/OD280,體積為1 μL。將驗(yàn)證過(guò)的DNA樣本于-80℃冷凍保存?zhèn)溆?,然后利用廣州美格生物科技有限公司的Illumina MiSeq/HiSeq測(cè)序平臺(tái)對(duì)樣本中微生物16S rRNA基因的V3-V4區(qū)(336F-806R)進(jìn)行測(cè)序分析[13,14]。
為了保證OTU(operational taxonomic units)聚類及后續(xù)分析的準(zhǔn)確性,需對(duì)Illumina測(cè)序得到的原始數(shù)據(jù)(raw reads)進(jìn)行過(guò)濾處理,然后將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、過(guò)濾,得到有效序列(effective tags)。再基于有效數(shù)據(jù)進(jìn)行OTU聚類和物種分類分析,形成OTU物種豐度譜和其他物種分類等級(jí)的物種豐度譜;同時(shí),基于數(shù)據(jù)均一化后的OTU物種豐度譜,再對(duì)OTU進(jìn)行豐度、多樣性指數(shù)等分析,如Alpha多樣性值、Beta多樣性值等,其中Alpha多樣性值包括物種(observed species)指數(shù)、Chao指數(shù)、香農(nóng)(Shannon)指數(shù)、系統(tǒng)發(fā)育樹(PD whole tree)指數(shù)等。下一步,對(duì)注釋在各個(gè)分類水平上的物種進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析和基于OTU和物種組成的聚類分析(如PCoA等統(tǒng)計(jì)分析),從而挖掘樣品之間的微生物組成差異,尋找與環(huán)境顯著相關(guān)的物種群落[15,16]。
對(duì)水性涂料中微生物16S rRNA基因的V3-V4區(qū)(336F-806R)進(jìn)行高通量測(cè)序的下機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示,結(jié)果表明4個(gè)樣本原始序列共174 392條,通過(guò)過(guò)濾嵌合體、篩選掉低質(zhì)量的序列后,得到的有效序列(effective tags)為171 822條,平均測(cè)序讀長(zhǎng)為375 nt。
表1 水性涂料樣本的序列信息Table 1 Sequence information of waterborne coatings samples.
為了研究4個(gè)涂料樣本的物種組成及多樣性信息,對(duì)所有樣本的全部有效序列在97%相似度下進(jìn)行聚類,形成OTU。再將得到的OTU序列與核糖體RNA數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)獲得物種注釋信息,同時(shí)基于物種注釋信息,去除注釋為葉綠體、線粒體以及不能注釋為界級(jí)別的OTU及其包含的序列后,不同樣本的序列、OTU數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果及其在各分類水平上的序列構(gòu)成結(jié)果如圖1A、B所示。從圖1A可知,4個(gè)樣本過(guò)濾后得到的拼接序列總數(shù)的平均值和最終得到的OTU總數(shù)的平均值分別為42 956、398。圖1B表明了不同樣本在各分類水平上的序列構(gòu)成的復(fù)雜程度,可見(jiàn)樣品YH4和XJ2的物種復(fù)雜度低于XJ1和YH3。
與此同時(shí),為了探究水性涂料樣本測(cè)序數(shù)據(jù)量的科學(xué)性和不同樣本反映的樣品中物種的豐富程度,從樣本中隨機(jī)抽取一定測(cè)序量的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)其所代表的物種多樣性指數(shù),以數(shù)據(jù)量與物種多樣性來(lái)構(gòu)建曲線,結(jié)果如圖1C所示,表明隨著數(shù)據(jù)量的增加,曲線已經(jīng)趨于平緩,即再增加數(shù)據(jù)量對(duì)于物種的挖掘也沒(méi)有顯著影響,樣本的OTU覆蓋度已經(jīng)基本飽和,這個(gè)結(jié)果說(shuō)明測(cè)序結(jié)果的數(shù)據(jù)量漸進(jìn)合理。
圖1 水性涂料樣本16S rRNA高通量測(cè)序數(shù)據(jù)分析Fig.1 Analysis of 16S rRNA high-throughput sequencing data of waterborne coatings samples.A:水性涂料樣本的序列、OTU數(shù)目分析;B:水性涂料樣本各分類水平上的序列構(gòu)成;C:水性涂料樣本的稀釋曲線。
為了進(jìn)一步探究水性涂料樣本中微生物群落組成多樣性及其系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系,在已獲得的所有OTU序列中選取物種豐度最高的10個(gè)屬的OTU數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析,進(jìn)一步得到4個(gè)水性涂料樣本間的物種分類樹及物種相對(duì)豐度統(tǒng)計(jì)分析圖(圖2)。由圖2可知,在水性涂料樣本YH4、XJ1、XJ2和YH3的微生物群落中,優(yōu)勢(shì)菌群均是變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)。此外,從圖2中可以看出,三大優(yōu)勢(shì)菌群的分支較多,這說(shuō)明優(yōu)勢(shì)菌群在水性涂料樣本中的基因型呈現(xiàn)多樣性。
2.3.1Alpha多樣性分析 為了對(duì)水性涂料樣本中的單一樣本進(jìn)行物種多樣性分析,本研究對(duì)水性涂料樣本的物種(observed species)指數(shù)、香農(nóng)指數(shù)、Chao1指數(shù)和譜系多樣性(phylogenetic diversity)指數(shù)等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表2所示。一般情況下,評(píng)估某個(gè)樣本的物種多樣性的指數(shù)越高,表明樣本的多樣性越復(fù)雜,反之則表明樣本的多樣性越簡(jiǎn)單。
由表2可知,水性涂料樣本XJ1和YH3的物種多樣性的復(fù)雜程度高于樣本XJ2及YH4。其中,水性涂料樣本XJ1的物種指數(shù)(846.0)、香農(nóng)指數(shù)(6.400 6)、Chao1指數(shù)(869.887 9)和譜系多樣性指數(shù)(61.561 2)在4個(gè)樣本中都是最高的,說(shuō)明該樣本的微生物群落組成最復(fù)雜。其次,通過(guò)比較剩余3個(gè)水性涂料樣本的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),樣本YH3的物種指數(shù)(477.0)、香農(nóng)指數(shù)(5.007 2)、Chao1指數(shù)(523.928 6)和譜系多樣性指數(shù)(38.498 5)高于XJ2和YH4,說(shuō)明樣本YH3的微生物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度高于XJ2和YH4。同時(shí),通過(guò)比較表2中的水性涂料樣本XJ2和YH4可知,樣本XJ2的香農(nóng)指數(shù)(0.968 0)高于樣本YH4(0.498 17),說(shuō)明水性涂料樣本XJ2的豐富度和每個(gè)分類中所占的比例高于樣本YH4,但樣本XJ2的Chao1指數(shù)(99.750 0)及譜系多樣性指數(shù)(8.935 8)均低于樣本YH4(分別為154.285 7和12.999 6),表明樣本XJ2的物種多樣性低于YH4。綜上所述,經(jīng)Alpha多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析,可以得出4個(gè)水性涂料樣本的物種多樣性由高到低依次分別為XJ1、YH3、YH4和XJ2。
2.3.2Beta多樣性分析 Beta多樣性是對(duì)不同樣品間的微生物群落多樣性進(jìn)行比較,可以通過(guò)多變量統(tǒng)計(jì)學(xué)方法主坐標(biāo)分析(principal co-ordinates analysis,PCoA)和非加權(quán)組平均聚類分析(unweighted pair-group method with arithmetic means,UPGMA),進(jìn)一步從數(shù)據(jù)結(jié)果中挖掘不同樣品間微生物群落多樣性的差異和不同分類對(duì)水性涂料樣本間的貢獻(xiàn)差異。
以4個(gè)水性涂料樣本為研究對(duì)象,基于Bray-Curtis距離來(lái)進(jìn)行主坐標(biāo)分析,得到不同水性涂料樣本的Beta多樣性的PCoA分析結(jié)果(圖3A)。一般情況下,主坐標(biāo)分析的二維圖中不同樣本的距離越近,說(shuō)明樣本間的物種組成多樣性越相似,由圖3A可知,水性涂料樣本XJ2和YH4聚集在一起,表明這2個(gè)樣本之間的微生物群落多樣性較為相似。另一方面,圖3A顯示第一主成分的貢獻(xiàn)率(94.38%)遠(yuǎn)大于第二主成分(5.19%),說(shuō)明第一主成分坐標(biāo)相近的樣本在微生物群落多樣性方面也是較為相似的,可見(jiàn)水性涂料樣本XJ1與YH3也是較為相似的。
表2 水性涂料樣本的Alpha多樣性指數(shù)分析Table 2 Alpha diversity index analysis of waterborne coatings samples.
圖3 水性涂料樣本Beta多樣性主坐標(biāo)分析(A)和聚類分析(B)Fig.3 Beta diversity analysis PCoA (A) and UPGMA (B) of waterborne coatings samples.
進(jìn)一步地,通過(guò)對(duì)不同樣本進(jìn)行聚類分析研究這4個(gè)水性涂料樣本的微生物群落多樣性。不同水性涂料樣本的Beta多樣性的聚類分析UPGMA結(jié)果如圖3B所示,結(jié)果表明水性涂料樣本XJ2和YH4微生物群落多樣性較為相似,同理,樣本XJ1和YH3的微生物群落組成也是較為相似的。然而,水性涂料樣本XJ2、YH4和樣本XJ1、YH3的微生物群落多樣性也存在差異,這說(shuō)明水性涂料發(fā)生腐敗變質(zhì)是受到了不同微生物的污染。
為了統(tǒng)計(jì)每個(gè)水性涂料樣本中微生物群落的組成及相對(duì)豐度,利用QIIME軟件對(duì)各水性涂料樣本在門分類水平上的物種相對(duì)分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,在門分類水平上,4個(gè)水性涂料樣本經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后共得到16種細(xì)菌類群,變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)為三大優(yōu)勢(shì)菌群,其中,在4個(gè)水性涂料樣本中含量最高的微生物群落均是變形菌門(Proteobacteria),其在樣本YH4、XJ1、XJ2和YH3中的相對(duì)豐度分別為97.75%、62.53%、99.76%和75.80%,這說(shuō)明誘發(fā)4個(gè)水性涂料樣本發(fā)生腐敗變質(zhì)的微生物群落組成基本相同;同時(shí),厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)在樣本YH4、XJ2中的相對(duì)豐度均不足3.00%,說(shuō)明水性涂料樣本發(fā)生微生物污染還受到原材料來(lái)源、生產(chǎn)工藝或者環(huán)境因素的影響。
圖4 門分類水平上水性涂料樣本微生物相對(duì)豐度分析Fig.4 Relative abundance analysis at phylum level of waterborne coatings samples.
為了進(jìn)一步探究4個(gè)水性涂料樣本中微生物群落組成之間的聚集規(guī)律,從所有樣本在屬分類水平上的物種注釋及豐度信息中選取默認(rèn)豐度排名較高的10個(gè)屬,并利用其在各水性涂料樣本中的豐度信息,構(gòu)建含有水性涂料樣本聚類關(guān)系樹的熱圖(圖5)。由圖5可知,在屬分類水平上,微生物群落經(jīng)過(guò)微生物豐度聚類分析后分為兩大分支,水性涂料樣本YH4和XJ2構(gòu)成一支,而YH3和XJ1構(gòu)成另一支,這說(shuō)明它們之間的微生物群落組成存在明顯差異。此外,水性涂料樣本YH4和XJ2的微生物群落進(jìn)化關(guān)系距離較近,樣本YH3居于樣本XJ1與XJ2之間且微生物群落進(jìn)化關(guān)系距離更趨近于XJ1,說(shuō)明相對(duì)于水性涂料樣本YH3和XJ1而言,水性涂料樣本YH4和XJ2微生物群落組成和聚集規(guī)律更相似。
圖5 屬分類水平上水性涂料樣本微生物豐度聚類分析Fig.5 Microbiology abundance cluster analysis at genus level of waterborne coatings samples.注:刻度尺表示顏色與相對(duì)豐度的關(guān)系。
與傳統(tǒng)的微生物純培養(yǎng)方法相比,16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)是一種針對(duì)樣本中微生物群落較為全面的檢測(cè)方式,而且,在分析水性涂料中微生物群落組成和多樣性方面,16S rRNA高通量測(cè)序具有傳統(tǒng)的微生物純培養(yǎng)方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),其可對(duì)水性涂料中所有微生物群落無(wú)選擇的檢測(cè),且周期短、準(zhǔn)確度高[17~19]。本研究利用16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)檢測(cè)了4個(gè)水性涂料樣本的微生物群落,獲得了樣品中全面的微生物群落結(jié)構(gòu)、相對(duì)豐度及多樣性信息,共獲得有效序列總數(shù)171 822,且在97%的相似度水平下共產(chǎn)生有效OTU個(gè)數(shù)為1 592,平均測(cè)序讀長(zhǎng)為375 nt,涵蓋了30門66綱98目174科340屬的細(xì)菌。
同時(shí),利用生物信息學(xué)方法初步解析了水性涂料樣本中微生物群落結(jié)構(gòu)、相對(duì)豐度及多樣性。結(jié)果表明,在水性涂料樣本XJ1、XJ2、YH3和YH4中,變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門為三大優(yōu)勢(shì)菌群;Alpha多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析顯示物種多樣性由高到低依次分別為XJ1、YH3、YH4和XJ2;水性涂料樣本的Beta多樣性分析、微生物菌群結(jié)構(gòu)均顯示樣本YH4與XJ2聚集規(guī)律更相似,說(shuō)明不同樣品間的微生物群落存在差異,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是水性涂料的原材料來(lái)源、生產(chǎn)配方、操作工藝、儲(chǔ)存溫度和濕度等因素的不同導(dǎo)致樣品間微生物群落的差異。
變形菌門在所有水性涂料樣本中的最高相對(duì)豐度達(dá)到99.76%,說(shuō)明該菌群是水性涂料樣本產(chǎn)生微生物污染的最主要來(lái)源,該結(jié)果也與其他文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致:黃小茉等[2]利用基因文庫(kù)技術(shù)對(duì)水性涂料中細(xì)菌菌群分析發(fā)現(xiàn),變形菌門下的假單胞菌為優(yōu)勢(shì)菌群,且該菌群對(duì)于水性涂料發(fā)生腐敗變質(zhì)具有重要影響;陳藝彩等[20]以涂料樣本為研究對(duì)象,采用傳統(tǒng)微生物純培養(yǎng)的方法分離出76株腐敗微生物并對(duì)其鑒定,發(fā)現(xiàn)大腸桿菌和銅綠假單胞菌在涂料腐敗變質(zhì)方面是重要的菌株來(lái)源,而這2種菌也屬于變形菌門。此外,變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門在4個(gè)水性涂料樣本中的相對(duì)豐度差異較大,由微生物組成分析結(jié)果可知水性涂料樣本XJ2和YH4中的厚壁菌門和擬桿菌門相對(duì)豐度低于樣本XJ1和YH3,這說(shuō)明在水性涂料樣本發(fā)生腐敗變質(zhì)的過(guò)程中,樣本原材料來(lái)源、溫度、生產(chǎn)工藝或者貯存環(huán)境的不同也可能導(dǎo)致某些微生物快速繁殖并進(jìn)一步加速腐敗變質(zhì)過(guò)程,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于水性涂料產(chǎn)品長(zhǎng)期固定使用單一品種的防腐劑配方,雖然限制了厚壁菌門和擬桿菌門在水性涂料產(chǎn)品中的微生物生長(zhǎng),但同時(shí)促進(jìn)了變形菌門或其他微生物群落的細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖。與此同時(shí),水性涂料產(chǎn)品中微生物群落結(jié)構(gòu)組成的明晰,有利于企業(yè)加強(qiáng)對(duì)水性涂料產(chǎn)品的原材料、生產(chǎn)工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)的消毒程序、儲(chǔ)存運(yùn)輸環(huán)節(jié)的微生物控制,還可以根據(jù)變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門微生物群落的生長(zhǎng)特性,優(yōu)化升級(jí)水性涂料中的防腐劑配方,這對(duì)于今后的水性涂料微生物防控體系的建立和完善也有一定的指導(dǎo)意義。
利用16S RNA高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)水性涂料的研究只是初始階段,獲得的微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性數(shù)據(jù)較少[2,5,6]。目前,對(duì)于水性涂料出現(xiàn)腐敗變質(zhì)現(xiàn)象的機(jī)理尚無(wú)明確結(jié)論,而這直接關(guān)系著水性涂料樣本的防腐體系是否有效,關(guān)系著生廠商的直接經(jīng)濟(jì)利益,所以,獲取更多水性涂料樣本中微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性信息對(duì)于行業(yè)發(fā)展迫在眉睫[4,19]。隨著越來(lái)越多的微生物菌群結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)被獲取,對(duì)于水性涂料出現(xiàn)腐敗變質(zhì)現(xiàn)象的機(jī)理就越容易被闡釋清楚,有利于各生廠商因地制宜、多元化建立自身的微生物防控體系。此外,由于16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)自身的限制,水性涂料樣本微生物群落結(jié)構(gòu)中的真菌還不能夠被檢測(cè)到,仍需進(jìn)一步地深入研究,而隨著測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展,涂料樣本中微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性會(huì)日漸明晰,將為建立高效的水性涂料防腐體系提供充分的微生物數(shù)據(jù)支持及理論支撐。