WR | 水源水耐药基因稳定赋存的关键：以致病菌为“源”，群落构建主导菌为“汇”...

第一作者：武冬

通讯作者：David W.Graham、杨凯、谢冰

通讯单位：华东师范大学生态与环境科学学院，英国纽卡斯尔大学工程学院

文章链接：www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422013045

- 成果简介 -

近日，华东师范大学谢冰教授团队在Water Research (Q1, IF = 13.4)上发表了题为“Explaining the resistomes in a megacity’s water supply catchment: Roles of microbial assembly-dominant taxa, niched environments and pathogenic bacteria”的学术论文。

论文以某超大型城市水源水为研究背景，利用宏基因组与16s扩增子测序，探究了该水域上下游抗生素耐药基因（ARGs）及其宿主菌群的赋存规律，通过对细菌群落构建过程、基因水平转移（HGT）的解析发现：ARGs潜在宿主菌群的丰度在水域上下游间基本保持不变，常年维持在60 ~ 70 genome copies per million reads的水平（P > 0.05）。潜在致病菌Burkholderiaceae菌属为主要的ARGs“携带者”，其可频繁地以HGT方式，将多种ARGs传递给水体中的浮游细菌（planktobacteria），而后者则是群落中的构建主导菌。由于水生菌群具有确定性构建过程（|βNRI| > 2.0， HoS > 45%），其构建主导菌可稳定赋存于该环境，继而使得其所含的ARGs持久存在于该水域中。据估算，上游来水或向下游水源水常年传输约3.0 到 4.0 × 10⁶ cell/L的潜在耐药性致病菌（P_season > 0.05），具有不可忽视的环境耐药性暴露风险。

- 图文导读 -

①目标水域中耐药基因赋存规律

与细菌群落的构建特征

水体中的耐药基因有100余种，其中约70 ~ 80种可稳定赋存于目标水域的所有样品中。通过宏基因组测序可知，ARGs的总丰度在上游来水中为-1.0 (log₁₀(ARGs/16S rRNA gene)，其进入下游水源水后约降低5倍( ANOVA, F = 12.1, P_site < 0.0)。在这些稳定赋存的ARGs中，不乏消毒剂类 (quaE, -2.70 ± 0.18 log₁₀(ARGs/16S rRNA gene)) 和一线抗生素内抗性组分，例如碳青霉烯类 (blaOXA; -3.05 ± 0.50 log₁₀(ARGs/16S rRNA gene)), 利福平类 (Arr; -3.55 ± 0.22 log₁₀(ARGs/16S rRNA gene)), 万古霉素类 (vanR/S; -3.49 ± 0.30 log₁₀(ARGs/16S rRNA gene)), 多粘菌素类 (mcr-1/5; -4.41 ± 0.38 log₁₀(ARGs/16S rRNA gene))等ARGs。与此同时，水中菌群主要以确定性过程进行构建（HoS > 45%），其构建过程中的优势主导菌属为Ilumatobacteraceae 、 Cyanobiaceae等浮游细菌。

图-1：抗生素耐药基因在水域上（红色）下（棕色）游的丰度变化（a）；零模型解析夏冬两季水生菌群的构建过程（b）。

②

耐药基因分布受群落构建主导菌影响显著，

其传播与致病菌关联密切

水体中耐药基因的丰度虽然呈现上游高下游低的特点，但它的组成分布并未表现出显著差异（Adonis2, P > 0.05）。究其原因，或与水体中稳定的细菌群落组成具有极大关联（Procrustes tests, M² = 0.78, R = 0.46, P = 0.002），尤其是与其中的群落构建主导菌（Cohen’s D = 4.22, P < 0.001）。值得注意的是，虽然群落构建主导菌能够显著影响ARGs的分布，但是ARGs的传播却主要与非主导菌群（多为水体中的潜在耐药致病菌）紧密关联。如图-2a所示，相比其他菌群，致病性菌群所含的ARGs具有相对较高的传播效率（Cohen’s D effect size = 0.84 vs. 0.41, P < 0.001）。此外，该效率还体现在致病菌中的ARGs与可移动基因元件在MAGs序列上的距离更短，这可能表明ARGs有更大的概率通过水平转移的方式传播至该宿主细菌（图-2b）。

图-2：（a）MAGs所含ARGs与MGEs之间的相关性分析与关联性比较；（b）宿主菌群MAGs中ARGs的水平转移概率。

③ARGs可在“致病菌 – 优势菌”之间

稳定水平转移

为进一步探究ARGs在环境菌群间的水平转移过程，论文首先利用metaCHIP对组装出的250余个高质量MAGs进行分析。通过特征基因信号来识别发生水平转移的MAGs序列，再结合ARGs相关数据库比对结果，明确何种ARGs在菌群间发生转移传播。如图-3a所示，致病菌主要为水体环境中ARGs的“贡献者”，而群落构建主导菌，如Ilumatobacteraceae 、 Cyanobiaceae等浮游细菌，则被识别为ARGs的受纳者（图-3a）。无论伴随何种时空变化（夏季vs冬季，上游vs.下游），这种ARGs的水平转移模式都可稳定维持在较高水平（图-3a）。值得注意地是，因为Burkholderiaceae菌属等致病菌可以利用藻毒素等细菌分泌物为代谢底物，可以与浮游细菌（如，微囊藻）形成稳定的共生关系，为两者之间的基因的水平转移过程提供现实基础。同时，这种稳定的水平转移传播过程，使得上游水中丰富的ARGs得以极好地“保存”在水体菌群中。其中，碳青霉烯类、万古霉素类ARGs（图-3b），能够从致病菌属转移传播至群落构建的优势主导细菌，这极大地促进了相关耐药性的传播，导致下游水源水中潜在耐药致病菌的含量长期稳定在3.0 到4.0 × 10⁶ cell/L的水平。

图-3：利用metaCHIP解析ARGs的传播贡献和受纳MAGs（a）代表性ARGs在致病菌和群落构建优势主导菌之间的传播。

- 总结与展望 -

水源水中的ARGs，及其宿主细菌具有不可忽视的环境暴露风险。本研究从菌群构建的视角，对高质量组装基因组中的ARGs进行高效识别。在明确群落构建主导菌和ARGs潜在致病性宿主的基础上，开展ARGs的水平转移传播分析，阐明了ARGs在低选择压力的水环境中的持久性赋存机制，并为ARGs和耐药性致病菌在水源水环境中的风险管控提供科学依据。后续或可考虑对“水源水 – 饮用水 – 人群”这一完整体系开展研究，以完善和提升对同一健康（“One-Health”）大框架下ARGs在环境中赋存、传播、风险的系统性认识。

研究团队长期致力于水资源与水环境污染、有机废弃物污染控制和资源化、环境微生物及生态修复技术方向研究。本项目得到了国家自然科学基金（42107457；22276059）、水污染控制与治理国家科技重大专项课题研究任务（2017ZX07207003-01）、科技部重点研发计划（2018YFC1901000）、环境污染与疾病监控教育重点实验室、粤港澳污染物暴露与健康联合实验室的资助。

- 第一作者 -

华东师范大学

武冬

青年研究员

武冬，华东师范大学生态与环境科学学院，青年研究员。主要研究方向为环境生物修复与微生物生态，新污染物识别控制与风险评价管控，在PNAS、Microbiome、ES&T、WR、EI、ES&T Water、JHM等期刊发表论文30余篇，h因子22，它引2100余次。相关成果获上海市自然科学二等奖、科技进步奖三等奖、中国产学研合作促进会优秀奖，等省部级科技奖励和国家级产业协会奖励。研究方向与兴趣：环境中新兴污染物环境行为、效应及其控制；有机固废资源化处理与处置；基于组学的环境微生物生态研究。期待与各位同仁开展合作，欢迎报考研究生。

- 通讯作者 -

华东师范大学

杨凯

教授

杨凯，华东师范大学生态与环境科学学院，教授。主要从事区域水资源与水环境、环境地理、环境管理等方面的教学与科研工作。曾任教育部环境科学教学指导委员会委员、中国自然资源学会资源持续利用与减灾专业委员会副主任。承担及参加的水源地环境相关课题：水污染控制与治理国家科技重大专项课题研究任务“金泽水源地水质特征研究与风险评估”、上海市生态环境局科技项目“太浦河流域水环境安全与污染防控研究”等。曾获上海市科技进步奖、上海市教学成果奖及决策咨询成果奖多项。

华东师范大学

谢冰

教授

谢冰，华东师范大学生态与环境科学学院，教授。主要研究水污染及有机废弃物污染控制和资源化、环境微生物及生态修复技术。现为上海有机固废生物转化工程技术研究中心主任，兼任中国微生物学会环境微生物专委会委员、上海市微生物学会常务理事等十余个学会委员。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、上海市科委项目以及技术研发工程项目60余项。围绕环境中水、固和气污染的控制和研究，共计发表国内外学术论文200篇，其中SCI论文100余篇，多篇ESI高被引。出版专著4部；获国家发明专利10余项，转让数项。获得上海市科技奖励多项。

写在后面

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