2022-06-20
《Bioresource Technology》
影響因子：9.642
最近，派森諾與華東師范大學(xué)合作，在《Bioresource Technology》再度發(fā)表論文，通過qPCR定量分析、細(xì)菌群落多樣性組成譜研究、宏轉(zhuǎn)錄組研究等方法，解析了城市有機(jī)固廢厭氧消化過程中，抗生素對抗生素耐藥基因（ARGs）傳播的影響及其調(diào)控機(jī)制。
研究背景
作為抗菌劑，抗生素被廣泛應(yīng)用于疾病的預(yù)防和治療。然而，抗生素的不正當(dāng)使用已經(jīng)對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了潛在的全球性威脅，如ARGs的廣泛傳播。據(jù)證實(shí)，約60~90%的抗生素不能被完全代謝或吸收，最終被釋放到環(huán)境中。抗生素存在可能會(huì)加劇ARGs的潛在傳播風(fēng)險(xiǎn)。雖然以往的報(bào)道對羅紅霉素、四環(huán)素、磺胺等作用下污泥或畜禽糞便厭氧消化系統(tǒng)中ARGs的變化規(guī)律進(jìn)行了探究，但對高有機(jī)物含量的廚余垃圾厭氧消化體系中ARGs的影響及作用機(jī)理尚不明晰。
研究方法
本研究通過添加三種廣譜抗生素（四環(huán)素、磺胺甲惡唑和紅霉素），探究：
1.細(xì)菌和古菌群落如何應(yīng)對不同的抗生素壓力；
2.抗生素如何影響ARGs傳播。
研究方法
細(xì)菌群落多樣性組成譜研究、宏轉(zhuǎn)錄組研究
測序區(qū)域
16S rRNA基因V3V4區(qū)測序、宏轉(zhuǎn)錄組測序
測序方法
Illumina MiSeq和HiSeq高通量測序
分析方法
QIIME 2等
研究結(jié)果
qPCR定量分析結(jié)果表明，厭氧消化過程促進(jìn)了ARGs的增殖。在抗生素作用下，不同ARGs呈現(xiàn)出有差異的變化趨勢。三種抗生素均促進(jìn)了總sulR的富集，所有磺胺甲惡唑和紅霉素添加提高了總tetR的豐度。隨著厭氧消化的進(jìn)行，在結(jié)束階段各組抗生素顯著提高了tetQ和mexF豐度。在最后階段，較高濃度（50 mg/L）抗生素對ARGs的促進(jìn)效果更為明顯，說明較高濃度抗生素作用提升了ARGs水平基因轉(zhuǎn)移潛力。
厭氧消化過程中ARGs和整合子相對豐度（log10(copies/16S rRNA)）
本研究進(jìn)一步利用宏轉(zhuǎn)錄組測序?qū)RGs表達(dá)變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，20種ARGs，包括6種AgyR、8種MLsR、2種tetR、1種sulR和3種其它ARGs類型，在厭氧消化系統(tǒng)中活性較高。與對照（22.99 TPM）比，四環(huán)素（242.86 TPM）、磺胺甲惡唑（41.67 TPM）和紅霉素（61.33 TPM）顯著提高總ARGs的活性。尤其是tetM在對應(yīng)四環(huán)素組，以及mefA、mel和mexA在對應(yīng)紅霉素組高表達(dá)，而它們在對照組中未檢測到活性。相似地，tetR和MLsR在相應(yīng)抗生素組的表達(dá)上調(diào)。此外，抗生素靶向保護(hù)抗性機(jī)制，可通過結(jié)合核糖體來緩解抗生素對靶標(biāo)核糖體的作用，在抗生素壓力下其表達(dá)上調(diào)。抗生素靶向保護(hù)機(jī)制和其它類型ARGs的上調(diào)可能是由于共同抗性機(jī)制所致。通過對比基因和表達(dá)水平上檢測到的四種ARGs（ermB、mefA、sul2和tetM）豐度可知，這四種ARGs在基因和表達(dá)水平呈現(xiàn)不同的變化趨勢，這種差異也可能表明細(xì)菌能通過多種共同抗性機(jī)制的ARGs來緩解抗生素壓力。
不同（a）ARGs、（b）ARGs類型和（c）ARGs機(jī)制的表達(dá)；（d）qPCR和宏轉(zhuǎn)錄組同時(shí)檢測到的ARGs豐度
為全面闡述細(xì)菌群落、整合子和理化性質(zhì)對ARGs傳播的貢獻(xiàn)，對它們的相關(guān)矩陣進(jìn)行了Procrustes分析、Mantel相關(guān)性檢驗(yàn)和VPA分析。根據(jù)Procrustes分析（M2=0.7238，P=0.031）和Mantel相關(guān)性檢驗(yàn)（r=0.3662，P=0.017）結(jié)果，細(xì)菌群落和ARGs整體之間呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，細(xì)菌群落演替對ARGs變化的解釋率達(dá)到10.61%。相對而言，盡管整合子與ARGs顯著正相關(guān)（P<0.01），它們對ARG變化的解釋率只占6.94%。此外，ARGs與理化因子顯著正相關(guān)（P<0.01），其對ARGs變化貢獻(xiàn)最小（2.97%）。作為ARGs宿主，細(xì)菌演替直接影響ARGs的改變，這也是細(xì)菌群落對ARGs變化貢獻(xiàn)最大的主要原因。細(xì)菌群落和整合子兩者的聯(lián)合作用對ARGs變化的貢獻(xiàn)最大（解釋率達(dá)到48.6%），證實(shí)了它們對ARGs傳播的重要性。
普氏分析評估目標(biāo)ARGs與（a）細(xì)菌群落、（b）整合子和（c）理化因子之間的關(guān)系；（d）VPA解釋它們對ARGs變化的貢獻(xiàn)
如上所述，抗生素促進(jìn)厭氧消化過程中ARGs的傳播。通常來說，細(xì)菌細(xì)胞可以根據(jù)在不同環(huán)境條件下生存需要，表達(dá)或沉默其相關(guān)功能。ARGs傳播機(jī)制是細(xì)菌細(xì)胞對抗生素做出的響應(yīng)。機(jī)制分析表明，抗生素促進(jìn)ARGs傳播可能與抗生素誘導(dǎo)DNA/細(xì)胞損傷和接合轉(zhuǎn)移的調(diào)控功能變化有關(guān)。
抗生素對ARGs相關(guān)關(guān)鍵功能和代謝途徑表達(dá)的影響：（a）DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶I/III（TPM）；（b）DNA修復(fù)/重組功能（TPM）；（c）細(xì)胞修復(fù)功能（TPM）；（d）接合轉(zhuǎn)移關(guān)鍵調(diào)控因子korA和korB（TPM）；（e）雙組分調(diào)控系統(tǒng)（百分比）
總 結(jié)
本研究提示，抗生素添加提高了厭氧消化過程總ARGs的豐度，說明抗生素添加促進(jìn)了ARGs的傳播。其中，細(xì)菌群落演替和整合子變化對ARGs傳播的貢獻(xiàn)較大。機(jī)制分析表明，DNA損傷、細(xì)胞損傷和接合水平轉(zhuǎn)移是三種抗生素誘導(dǎo)促進(jìn)ARGs傳播的潛在途徑。
本研究的高通量測序和部分?jǐn)?shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
文章索引：
Wang P, Wu D, Su Y, Li X, Xie B. Dissemination of antibiotic resistance under antibiotics pressure during anaerobic co-digestion of food waste and sludge: Insights of driving factors, genetic expression, and regulation mechanism. Bioresour Technol. 2022 Jan;344(Pt B):126257. doi: 10.1016/j.biortech.2021.126257. Epub 2021 Nov 6. PMID: 34752891.
