2022-06-20
《Bioresource Technology》
影响因子：9.642
最近，派森诺与华东师范大学合作，在《Bioresource Technology》再度发表论文，通过qPCR定量分析、细菌群落多样性组成谱研究、宏转录组研究等方法，解析了城市有机固废厌氧消化过程中，抗生素对抗生素耐药基因（ARGs）传播的影响及其调控机制。
研究背景
作为抗菌剂，抗生素被广泛应用于疾病的预防和治疗。然而，抗生素的不正当使用已经对生态环境和人类健康造成了潜在的全球性威胁，如ARGs的广泛传播。据证实，约60~90%的抗生素不能被完全代谢或吸收，最终被释放到环境中。抗生素存在可能会加剧ARGs的潜在传播风险。虽然以往的报道对罗红霉素、四环素、磺胺等作用下污泥或畜禽粪便厌氧消化系统中ARGs的变化规律进行了探究，但对高有机物含量的厨余垃圾厌氧消化体系中ARGs的影响及作用机理尚不明晰。
研究方法
本研究通过添加三种广谱抗生素（四环素、磺胺甲恶唑和红霉素），探究：
1.细菌和古菌群落如何应对不同的抗生素压力；
2.抗生素如何影响ARGs传播。
研究方法
细菌群落多样性组成谱研究、宏转录组研究
测序区域
16S rRNA基因V3V4区测序、宏转录组测序
测序方法
Illumina MiSeq和HiSeq高通量测序
分析方法
QIIME 2等
研究结果
qPCR定量分析结果表明，厌氧消化过程促进了ARGs的增殖。在抗生素作用下，不同ARGs呈现出有差异的变化趋势。三种抗生素均促进了总sulR的富集，所有磺胺甲恶唑和红霉素添加提高了总tetR的丰度。随着厌氧消化的进行，在结束阶段各组抗生素显著提高了tetQ和mexF丰度。在最后阶段，较高浓度（50 mg/L）抗生素对ARGs的促进效果更为明显，说明较高浓度抗生素作用提升了ARGs水平基因转移潜力。
厌氧消化过程中ARGs和整合子相对丰度（log10(copies/16S rRNA)）
本研究进一步利用宏转录组测序对ARGs表达变化进行分析。结果表明，20种ARGs，包括6种AgyR、8种MLsR、2种tetR、1种sulR和3种其它ARGs类型，在厌氧消化系统中活性较高。与对照（22.99 TPM）比，四环素（242.86 TPM）、磺胺甲恶唑（41.67 TPM）和红霉素（61.33 TPM）显著提高总ARGs的活性。尤其是tetM在对应四环素组，以及mefA、mel和mexA在对应红霉素组高表达，而它们在对照组中未检测到活性。相似地，tetR和MLsR在相应抗生素组的表达上调。此外，抗生素靶向保护抗性机制，可通过结合核糖体来缓解抗生素对靶标核糖体的作用，在抗生素压力下其表达上调。抗生素靶向保护机制和其它类型ARGs的上调可能是由于共同抗性机制所致。通过对比基因和表达水平上检测到的四种ARGs（ermB、mefA、sul2和tetM）丰度可知，这四种ARGs在基因和表达水平呈现不同的变化趋势，这种差异也可能表明细菌能通过多种共同抗性机制的ARGs来缓解抗生素压力。
不同（a）ARGs、（b）ARGs类型和（c）ARGs机制的表达；（d）qPCR和宏转录组同时检测到的ARGs丰度
为全面阐述细菌群落、整合子和理化性质对ARGs传播的贡献，对它们的相关矩阵进行了Procrustes分析、Mantel相关性检验和VPA分析。根据Procrustes分析（M2=0.7238，P=0.031）和Mantel相关性检验（r=0.3662，P=0.017）结果，细菌群落和ARGs整体之间呈现出显著的相关性，细菌群落演替对ARGs变化的解释率达到10.61%。相对而言，尽管整合子与ARGs显著正相关（P<0.01），它们对ARG变化的解释率只占6.94%。此外，ARGs与理化因子显著正相关（P<0.01），其对ARGs变化贡献最小（2.97%）。作为ARGs宿主，细菌演替直接影响ARGs的改变，这也是细菌群落对ARGs变化贡献最大的主要原因。细菌群落和整合子两者的联合作用对ARGs变化的贡献最大（解释率达到48.6%），证实了它们对ARGs传播的重要性。
普氏分析评估目标ARGs与（a）细菌群落、（b）整合子和（c）理化因子之间的关系；（d）VPA解释它们对ARGs变化的贡献
如上所述，抗生素促进厌氧消化过程中ARGs的传播。通常来说，细菌细胞可以根据在不同环境条件下生存需要，表达或沉默其相关功能。ARGs传播机制是细菌细胞对抗生素做出的响应。机制分析表明，抗生素促进ARGs传播可能与抗生素诱导DNA/细胞损伤和接合转移的调控功能变化有关。
抗生素对ARGs相关关键功能和代谢途径表达的影响：（a）DNA拓扑异构酶I/III（TPM）；（b）DNA修复/重组功能（TPM）；（c）细胞修复功能（TPM）；（d）接合转移关键调控因子korA和korB（TPM）；（e）双组分调控系统（百分比）
总 结
本研究提示，抗生素添加提高了厌氧消化过程总ARGs的丰度，说明抗生素添加促进了ARGs的传播。其中，细菌群落演替和整合子变化对ARGs传播的贡献较大。机制分析表明，DNA损伤、细胞损伤和接合水平转移是三种抗生素诱导促进ARGs传播的潜在途径。
本研究的高通量测序和部分数据分析工作由上海派森诺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.
