Published May 11, 2020 | Version v1
Publication Open

Effects of cadmium perturbation on the microbial community structure and heavy metal resistome of a tropical agricultural soil

Creators

  • 1. Lagos State University
  • 2. University of Lagos

Description

Abstract The effects of cadmium (Cd) contamination on the microbial community structure, soil physicochemistry and heavy metal resistome of a tropical agricultural soil were evaluated in field-moist soil microcosms. A Cd-contaminated agricultural soil (SL5) and an untreated control (SL4) were compared over a period of 5 weeks. Analysis of the physicochemical properties and heavy metals content of the two microcosms revealed a statistically significant decrease in value of the soil physicochemical parameters ( P < 0.05 ) and concentration of heavy metals (Cd, Pb, Cr, Zn, Fe, Cu, Se) content of the agricultural soil in SL5 microcosm. Illumina shotgun sequencing of the DNA extracted from the two microcosms showed the predominance of the phyla, classes, genera and species of Proteobacteria (37.38%), Actinobacteria (35.02%), Prevotella (6.93%), and Conexibacter woesei (8.93%) in SL4, and Proteobacteria (50.50%), Alphaproteobacteria (22.28%), Methylobacterium (9.14%), and Methylobacterium radiotolerans (12,80%) in SL5, respectively. Statistically significant ( P < 0.05) difference between the metagenomes was observed at genus and species delineations. Functional annotation of the two metagenomes revealed diverse heavy metal resistome for the uptake, transport, efflux and detoxification of various heavy metals. It also revealed the exclusive detection in SL5 metagenome of members of RND (resistance nodulation division) protein czcCBA efflux system ( czcA, czrA, czrB ), CDF (cation diffusion facilitator) transporters ( czcD ), and genes for enzymes that protect the microbial cells against cadmium stress ( sodA, sodB, ahpC ). The results obtained in this study showed that Cd contamination significantly affects the soil microbial community structure and function, modifies the heavy metal resistome, alters the soil physicochemistry and results in massive loss of some autochthonous members of the community not adapted to the Cd stress.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص تم تقييم آثار تلوث الكادميوم (CD) على بنية المجتمع الميكروبي والكيمياء الفيزيائية للتربة ومقاومة المعادن الثقيلة للتربة الزراعية الاستوائية في ميكروكوزمات التربة الرطبة الميدانية. تمت مقارنة تربة زراعية ملوثة بـ Cd (SL5) وتحكم غير معالج (SL4) على مدى 5 أسابيع. كشف تحليل الخواص الفيزيائية الكيميائية ومحتوى المعادن الثقيلة للكونين المجهريين عن انخفاض ذي دلالة إحصائية في قيمة المعلمات الفيزيائية الكيميائية للتربة ( P < 0.05 ) وتركيز المعادن الثقيلة (Cd، Pb، Cr، Zn، Fe، Cu، Se) محتوى التربة الزراعية في SL5 microcosm. أظهر تسلسل بندقية إيلومينا للحمض النووي المستخرج من اثنين من العروق المجهرية هيمنة الشعب والفئات والأجناس وأنواع البكتيريا البروتينية (37.38 ٪)، البكتيريا الشعاعية (35.02 ٪)، بريفوتيلا (6.93 ٪)، وكونيكسيباكتر ويسي (8.93 ٪) في SL4، والبروتوباكتيريا (50.50 ٪)، البكتيريا البروتينية ألفا (22.28 ٪)، ميثيلوبكتريوم (9.14 ٪)، و ميثيلوبكتريوم راديوتوليرانس (12.80 ٪) في SL5، على التوالي. لوحظ فرق ذو دلالة إحصائية ( P < 0.05) بين الميتاجينوم في ترسيم الأجناس والأنواع. كشف التعليق التوضيحي الوظيفي للميتاغينوم عن مقاومة المعادن الثقيلة المتنوعة لامتصاص ونقل وتدفق وإزالة السموم من المعادن الثقيلة المختلفة. كما كشفت عن الكشف الحصري في ميتاجينوم SL5 عن أعضاء نظام تدفق البروتين czcCBA (czcA، czrA، czrB)، وناقلات CDF (ميسر انتشار الكاتيون) (czcD)، وجينات الإنزيمات التي تحمي الخلايا الميكروبية من إجهاد الكادميوم (sodA، sodB، ahpC ). أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة أن تلوث القرص المضغوط يؤثر بشكل كبير على بنية المجتمع الميكروبي للتربة ووظيفته، ويعدل المقاومة المعدنية الثقيلة، ويغير الكيمياء الفيزيائية للتربة ويؤدي إلى خسارة فادحة لبعض أفراد المجتمع الأصليين غير المتكيفين مع إجهاد القرص المضغوط.

Translated Description (French)

Résumé Les effets de la contamination par le cadmium (Cd) sur la structure de la communauté microbienne, la physicochimie du sol et la résistance aux métaux lourds d'un sol agricole tropical ont été évalués dans des microcosmes de sol humides. Un sol agricole contaminé au Cd (SL5) et un témoin non traité (SL4) ont été comparés sur une période de 5 semaines. L'analyse des propriétés physico-chimiques et de la teneur en métaux lourds des deux microcosmes a révélé une diminution statistiquement significative de la valeur des paramètres physico-chimiques du sol ( P < 0,05 ) et de la concentration en métaux lourds (Cd, Pb, Cr, Zn, Fe, Cu, Se) du sol agricole dans le microcosme SL5. Le séquençage au fusil de chasse Illumina de l'ADN extrait des deux microcosmes a montré la prédominance des phylums, des classes, des genres et des espèces de Proteobacteria (37,38%), Actinobacteria (35,02%), Prevotella (6,93%) et Conexibacter woesei (8,93%) dans SL4, et Proteobacteria (50,50%), Alphaproteobacteria (22,28%), Methylobacterium (9,14%) et Methylobacterium radiotolerans (12,80%) dans SL5, respectivement. Une différence statistiquement significative ( P < 0,05) entre les métagénomes a été observée aux délimitations du genre et de l'espèce. L'annotation fonctionnelle des deux métagénomes a révélé divers résistomes de métaux lourds pour l'absorption, le transport, l'efflux et la détoxification de divers métaux lourds. Il a également révélé la détection exclusive dans le métagénome SL5 de membres du système d'efflux de la protéine czcCBA RND (division de nodulation de résistance) (czcA, czrA, czrB), de transporteurs CDF (facilitateur de diffusion de cations) (czcD) et de gènes d'enzymes qui protègent les cellules microbiennes contre le stress du cadmium ( sodA, sodB, ahpC ). Les résultats obtenus dans cette étude ont montré que la contamination par le Cd affecte de manière significative la structure et la fonction de la communauté microbienne du sol, modifie le résistome des métaux lourds, modifie la physicochimie du sol et entraîne une perte massive de certains membres autochtones de la communauté non adaptés au stress du Cd.

Translated Description (Spanish)

Resumen Los efectos de la contaminación por cadmio (Cd) en la estructura de la comunidad microbiana, la fisicoquímica del suelo y la resistoma de metales pesados de un suelo agrícola tropical se evaluaron en microcosmos de suelo húmedo de campo. Se comparó un suelo agrícola contaminado con Cd (SL5) y un control no tratado (SL4) durante un periodo de 5 semanas. El análisis de las propiedades fisicoquímicas y el contenido de metales pesados de los dos microcosmos reveló una disminución estadísticamente significativa en el valor de los parámetros fisicoquímicos del suelo ( P < 0.05 ) y la concentración del contenido de metales pesados (Cd, Pb, Cr, Zn, Fe, Cu, Se) del suelo agrícola en el microcosmos SL5. La secuenciación escopeta Illumina del ADN extraído de los dos microcosmos mostró el predominio de los filos, clases, géneros y especies de Proteobacteria (37,38%), Actinobacteria (35,02%), Prevotella (6,93%) y Conexibacter woesei (8,93%) en SL4, y Proteobacteria (50,50%), Alphaproteobacteria (22,28%), Methylobacterium (9,14%) y Methylobacterium radiotolerans (12,80%) en SL5, respectivamente. Se observó una diferencia estadísticamente significativa ( P < 0.05) entre los metagenomas en las delineaciones de géneros y especies. La anotación funcional de los dos metagenomas reveló diversos resistomas de metales pesados para la absorción, el transporte, el flujo de salida y la desintoxicación de varios metales pesados. También reveló la detección exclusiva en el metagenoma SL5 de miembros del sistema de eflujo de la proteína RND (división de nodulación de resistencia) czcCBA (czcA, czrA, czrB), transportadores CDF (facilitador de la difusión catiónica) (czcD) y genes para enzimas que protegen las células microbianas contra el estrés por cadmio ( sodA, sodB, ahpC ). Los resultados obtenidos en este estudio mostraron que la contaminación por Cd afecta significativamente la estructura y función de la comunidad microbiana del suelo, modifica el resistoma de metales pesados, altera la fisicoquímica del suelo y da como resultado la pérdida masiva de algunos miembros autóctonos de la comunidad no adaptados al estrés por Cd.

Files

s40643-020-00314-w.pdf

Files (1.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:39b39d9455d48a6b01e84bb7bc462b66
1.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
آثار اضطراب الكادميوم على بنية المجتمع الميكروبي ومقاومة المعادن الثقيلة للتربة الزراعية الاستوائية
Translated title (French)
Effets de la perturbation du cadmium sur la structure de la communauté microbienne et la résistance aux métaux lourds d'un sol agricole tropical
Translated title (Spanish)
Efectos de la perturbación del cadmio en la estructura de la comunidad microbiana y la resistoma de metales pesados de un suelo agrícola tropical

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3030311347
DOI
10.1186/s40643-020-00314-w

Is supplement to
https://openalex.org/W871566427 (Other)
https://openalex.org/W4242397829 (Other)
https://openalex.org/W3166489603 (Other)
https://openalex.org/W3141019448 (Other)
https://openalex.org/W3122587689 (Other)
https://openalex.org/W3009134694 (Other)
https://openalex.org/W2300010804 (Other)
https://openalex.org/W2052441021 (Other)
https://openalex.org/W1964454835 (Other)
https://openalex.org/W1556334984 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Nigeria

References

  • https://openalex.org/W1496933752
  • https://openalex.org/W1583964205
  • https://openalex.org/W1768796223
  • https://openalex.org/W1768948929
  • https://openalex.org/W1873029524
  • https://openalex.org/W1921535438
  • https://openalex.org/W1967958852
  • https://openalex.org/W1968125267
  • https://openalex.org/W1969500710
  • https://openalex.org/W1984034829
  • https://openalex.org/W2001973083
  • https://openalex.org/W2006342727
  • https://openalex.org/W2009751638
  • https://openalex.org/W2012302404
  • https://openalex.org/W2013433351
  • https://openalex.org/W2013830308
  • https://openalex.org/W2017976858
  • https://openalex.org/W2019117289
  • https://openalex.org/W2021708043
  • https://openalex.org/W2027184506
  • https://openalex.org/W2027918662
  • https://openalex.org/W2029953922
  • https://openalex.org/W2031603615
  • https://openalex.org/W2038686491
  • https://openalex.org/W2046648332
  • https://openalex.org/W2047219969
  • https://openalex.org/W2049434508
  • https://openalex.org/W2050365532
  • https://openalex.org/W2058083807
  • https://openalex.org/W2058139204
  • https://openalex.org/W2060866305
  • https://openalex.org/W2066024339
  • https://openalex.org/W2072132469
  • https://openalex.org/W2077065305
  • https://openalex.org/W2078154371
  • https://openalex.org/W2078196074
  • https://openalex.org/W2078394714
  • https://openalex.org/W2079958213
  • https://openalex.org/W2081745487
  • https://openalex.org/W2084521089
  • https://openalex.org/W2098805078
  • https://openalex.org/W2098924542
  • https://openalex.org/W2104980372
  • https://openalex.org/W2108718991
  • https://openalex.org/W2109455817
  • https://openalex.org/W2119099728
  • https://openalex.org/W2119934462
  • https://openalex.org/W2120218267
  • https://openalex.org/W2124283579
  • https://openalex.org/W2127418940
  • https://openalex.org/W2134224159
  • https://openalex.org/W2134686713
  • https://openalex.org/W2135659368
  • https://openalex.org/W2136032290
  • https://openalex.org/W2139002583
  • https://openalex.org/W2141920662
  • https://openalex.org/W2143822816
  • https://openalex.org/W2145307718
  • https://openalex.org/W2145472376
  • https://openalex.org/W2147783737
  • https://openalex.org/W2149422751
  • https://openalex.org/W2152287180
  • https://openalex.org/W2153544371
  • https://openalex.org/W2156701707
  • https://openalex.org/W2157160955
  • https://openalex.org/W2159954944
  • https://openalex.org/W2165671141
  • https://openalex.org/W2166568165
  • https://openalex.org/W2166940906
  • https://openalex.org/W2170551349
  • https://openalex.org/W2171859268
  • https://openalex.org/W2202768724
  • https://openalex.org/W2223390873
  • https://openalex.org/W2297487683
  • https://openalex.org/W2529152016
  • https://openalex.org/W2541177486
  • https://openalex.org/W2558135510
  • https://openalex.org/W2576060123
  • https://openalex.org/W2605899357
  • https://openalex.org/W2622342440
  • https://openalex.org/W2622878138
  • https://openalex.org/W2799828084
  • https://openalex.org/W2803010853
  • https://openalex.org/W2896148069
  • https://openalex.org/W2912799455
  • https://openalex.org/W2933055545
  • https://openalex.org/W2990848817
  • https://openalex.org/W4254350514