改编自科罗拉多州立大学的新闻稿。
河流和小溪是跨越广阔地理景观的重要纽带，从隐蔽的源头涓涓细流，蜿蜒数千英里，流向海洋和深海。这些水道直接影响着人类和环境健康、农业和能源生产，并为美国提供了三分之二的饮用水。然而，与其他较大的水体相比，河流的微生物学研究相对不足。
科罗拉多州立大学领导的一个科学家团队，包括劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员，为改变这一状况做出了贡献——首次详细介绍了覆盖美国大陆90%流域的河流中微生物的存在和功能的广泛和具体信息。这些河流的微生物组编组是本周发表在《自然》杂志上的一项长达数年的参与性科学努力的结果。
伯克利实验室的专业知识和能力使这项研究成为可能，它带来了基因组测序工具和专业知识，并使数据可以通过公共数据库广泛访问。美国能源部（DOE）联合基因组研究所（JGI）元基因组计划负责人、美国国家微生物组数据协作（NMDC）首席PI表示：“这种规模的项目确实展示了开放、分布式科学在解决微生物如何影响生态系统过程等重大问题方面的力量。”JGI是位于伯克利实验室的美国能源部科学办公室用户设施。
这项新的研究表明，微生物在塑造河流的整体健康方面发挥着重要作用。这篇论文的作者将河流微生物描述为“营养和能量流动的主要策划者，它们可能会在当前和未来的水情景下决定水质。”更重要的是，作者发现这些微生物与水中发现的污染物相互作用，为现有证据提供了新的细节，表明河流受到抗生素、消毒产品、氟化化合物、肥料和微塑料等人工投入的影响。值得注意的是，河流微生物有能力将微塑料降解成更小的碳化合物，在污水处理厂附近发现的微生物表达了高水平的抗生素抗性基因。
该研究还发现，河流微生物的行为支持了一个几十年前的观点，即河流连续概念——一个将河流视为一个连续集成系统的宏观生态学理论。例如，一种特定类型的鱼在河流的特定地点茁壮成长，与上游发生的事情有着千丝万缕的联系。事实证明，河流微生物也是如此。
“人们过去认为河流几乎就像管道，是一种将水从一个地方输送到另一个地方的方式，”科罗拉多州立大学研究教授米凯拉·博尔顿（Mikayla Borton）说，他是《自然》论文的第一作者。“但河流远不止于此——它们在进行各种各样的活动。这是有规律的；这些活动是可以预测的。现在，我们知道微生物正在进行其中一些活动。”
这项研究包括对来自北美约100条河流的2000多个微生物基因组进行分类，其中大部分来自当地社区成员通过太平洋西北国家实验室（PNNL）开展的采样项目收集的水样。PNNL是位于华盛顿州的一个环境和物理科学研究实验室，由代表美国能源部的私人非营利组织巴特尔（Battelle）运营。
“当我们观察河流周围的土地是如何管理的时候，我们可以看到某些人为污染物或化学物质是通过DNA中的微生物处理的，”科罗拉多州立大学农业科学学院教授、该论文的资深作者凯利·赖特顿（Kelly Wrighton）说。“这之间有很强的关系——这表明微生物群中有一个信号，表明我们如何在土地上生活和管理，这些土地一直进入河流系统，然后流入下游。”
微生物组学是一个新兴的科学领域。这个研究领域的一个关键承诺是，微生物可以像煤矿里的金丝雀一样，对人类和关键生态系统——土壤、海洋，或者说是河流的整体健康——的健康起作用。“我们的希望是，”科罗拉多州立大学跨学科研究小组微生物组网络的负责人之一赖特顿说，“这些信息最终可以用于开发新的诊断方法，作为健康河流与不健康河流的指标。”
Wrighton说，除了揭开对河流微生物的新见解之外，本周发表的研究还展示了如何成功地大规模实施参与式科学。
Wrighton于2018年在华盛顿特区参加国家能源部研究会议时首次考虑了该项目。在会议上，Wrighton遇到了PNNL的地球科学家James Stegen，并了解到Stegen和他的同事Amy Goldman已经在监督一项大规模的全球河流采样工作，该工作被称为全球动态河流系统水文地球化学观测网络（WHONDRS）。该项目招募了科学家和非科学家在当地收集河流样本，并将样本送到PNNL进行分析。赖特顿意识到，同样的样本也可以用来分析微生物数据。
在JGI社区科学项目的支持下，赖特顿和她的团队开始研究河流微生物群。他们将河水样本送到JGI进行基因组测序，以揭示有关河水样本的具体线索。JGI对1000多个宏基因组进行了测序，从而深入了解了样本中不同的微生物群落。研究人员还为生成揭示微生物基因表达的亚转录组学信息做出了贡献。
在他们的测序工作中，JGI建立了标准化的测序协议，这意味着研究人员可以比较不同采样地点的结果。JGI的专业知识和资源对于将大量数据汇编和分类到单个微生物基因组或“箱”中也至关重要。来自自动化流水线的容器，以及来自Wrighton实验室的额外容器方法，被用于生成GROWdb，即基因组解析开放流域数据库。
这些数据集可以在伯克利实验室托管的多个平台上使用。NMDC数据门户提供对GROW项目的访问，作为更大的微生物组数据集成中心的一部分。研究人员通过将宏基因组学和超转录组学数据与其他相关数据集联系起来，为JGI分析提供了补充，最终提供了更全面的河流微生物活动分析。
已公布的河流微生物组数据集也可通过美国能源部系统生物学知识库（Kbase）获得。Kbase使研究人员和学生能够立即复制和使用GROWdb中的数据，以便与Kbase平台上自己的数据进行比较分析。这节省了时间，不需要下载和格式化数据或加载分析包和资源，因为Kbase提供了所有的计算能力。同时，全球河流采样工作的数据集WHONDRS托管在美国能源部的环境系统科学数据存储库ESS-DIVE上。
Eloe-Fadrosh说：“GROWdb和背后的合作团队，以及JGI、NMDC、ESS-DIVE和Kbase的基础设施，以数据集成和共享为基础，是未来微生物组研究的典范。”
除了受到土地利用的影响外，河流微生物还受到其他变量的影响，如河流的大小、照射在水面上的光线的多少、空气的温度以及河流中水流的速度。同样的因素也会影响较大的河流物种。更重要的是，这些因素可以预测研究人员发现的微生物，而不管这条河位于美国的哪个地方。事实上，研究小组在他们研究的大约100条河流中发现了六种特别活跃的微生物。这六种核心微生物都以光作为能量来源。
“微生物在这些系统中以一种可以预测的方式活跃在整个美国大陆，”博尔顿说。“我认为我们会在这些不同的河流系统中发现类似的生物，但我不认为微生物会遵循这些古老的河流概念的原则。这非常酷，我认为这在很大程度上说明了在我们工作之前所做的科学的稳健性。”
Borton希望非微生物组科学家将开始使用他们围绕河流微生物组建立的数据基础设施，包括将微生物过程纳入到更好地大规模模拟生态系统的努力中。“我们需要更好地研究不同的景观，”博尔顿说，“更好地了解河流可以帮助我们做到这一点。”
这项研究部分由能源部科学办公室资助。
