J HAZARD MATER | 南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院發(fā)布耐藥基因研究新進(jìn)展

英文標(biāo)題：Microalgae simultaneously promote antibiotic removal and antibiotic resistance genes/bacteria attenuation in algal-bacterial granular sludge system

中文標(biāo)題：微藻促進(jìn)ABGS中抗生素去除和抗生素抗性基因/細(xì)菌衰減

合作單位：南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

期刊名稱：Journal of Hazardous Materials?

影響因子：12.2

百邁客生物為該研究提供了宏基因組測(cè)序服務(wù)。

研究背景

抗生素在世界范圍內(nèi)被廣泛用于預(yù)防/治療人類和動(dòng)物疾病，由此不可避免的造成了水體的抗生素污染，而水體微生物受到誘導(dǎo)，會(huì)產(chǎn)生一些抗生素抗性基因和抗生素耐藥性，藻-細(xì)菌顆粒污泥（ABGS）是在細(xì)菌顆粒污泥（BGS）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的藻-細(xì)菌顆粒型共生系統(tǒng)，用于含抗生素的廢水處理。

研究方法

宏基因組測(cè)序、代謝組檢測(cè)、COD、TN、TP、NH₄⁺-N、MLSS、MLVSS

技術(shù)路線：

研究結(jié)果

耐藥基因ARGs，可移動(dòng)遺傳元件MGEs以及生物群落結(jié)構(gòu)分析

兩個(gè)反應(yīng)體系的DNA樣本中共檢測(cè)到24種ARGs，相對(duì)豐度排名前五的是多藥、磺胺嘧啶、四環(huán)素、氨基糖苷和肽ARGs亞型。與第45天相比，第90天添加TC和SDZ 4 mg/L后，TC和SDZ相關(guān)ARGs的相對(duì)豐度分別增加了116.3 %（R0）和60.2 %（R1）。表明，TC和SDZ混合添加加速了兩種反應(yīng)器中ARGs的富集，而ABGS中藻類的生長(zhǎng)減緩了總ARGs和TC/SDZ相關(guān)ARGs的增長(zhǎng)率。

此外，一些非TC和SDZ相關(guān)的ARGs也被富集，是由于抗生素的共選擇效應(yīng)，即一些微生物可以編碼存在于同一染色體、質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子或整合子中的多個(gè)ARGs，而氨基糖苷類和多肽的比例增加更明顯，可能是由于它們對(duì)TC和SDZ的選擇壓力更敏感。R0和R1中檢測(cè)到的TC/SDZ相關(guān)的ARGs亞型總數(shù)有26個(gè)（(23tets?及 3?suls），其中17個(gè)tets和2個(gè)suls是共有的，R0和R1中tetX基因含量最高，而sul1在R0和R1中為優(yōu)勢(shì)基因，由于tetX基因參與了TC的生物降解和轉(zhuǎn)移，因此兩種反應(yīng)體系中TC的高去除效率可以歸因于該基因的顯著富集，sul1明顯的富集可能與intI1介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）過程有關(guān)。

與第45天不添加抗生素的情況相比，第90天整合子和ISs的相對(duì)豐度分別增加了40.7 %（R0）和18.6 %（R1），與ARGs的變化趨勢(shì)一致，IntI1是R0（252.1 ppm）和R1（209.5 ppm）中較豐富的整合子。相關(guān)性分析結(jié)果表明，R0中17種ARGs和R1中11種ARGs與ISs和整合子呈正相關(guān)，總體而言，在相同的抗生素處理?xiàng)l件下，兩種反應(yīng)體系中TC-和SDZ-相關(guān)ARGs和MGEs的相對(duì)豐度隨時(shí)間的增加而增加，但在R1中比R0中分別降低了56.1 %和22.1 %，一方面是由于藻類的生長(zhǎng)可能會(huì)改變ABGS中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，影響ARGs的豐度，另一方面也說明微藻降解抗生素可能降低了抗生素對(duì)細(xì)菌的選擇壓力。

PCoA分析結(jié)果顯示，r0和r1之間在40天時(shí)差異最大，說明微藻的生長(zhǎng)導(dǎo)致了BGS和ABGS之間的細(xì)菌進(jìn)化的顯著差異。而在添加抗生素后，R0和R1在第65天和第90天的位置較初始有明顯偏移，表明抗生素的選擇壓力改變了BGS和ABGS的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。門水平相對(duì)豐度結(jié)果顯示，變形菌門、浮霉菌門和擬桿菌門一直是R0和R1的三個(gè)優(yōu)勢(shì)門，表面其受抗生素影響較小。研究表明，變形菌門和擬桿菌門是好氧廢水處理系統(tǒng)中常見的兩種異養(yǎng)細(xì)菌，主要具有去除氮、磷和水解大分子有機(jī)物的功能，而變形菌門和浮霉菌門對(duì)抗生素具有高度的固有耐藥性，并且與大多數(shù)靶ARGs呈正相關(guān)，硝化螺旋菌主要富集在r0中，而厚壁菌門主要富集在R1中。添加抗生素后，氯霉在R0和R1中的相對(duì)豐度上升，而氯霉可作為可移動(dòng)遺傳成分轉(zhuǎn)移的指示物種。科水平的分析結(jié)果表明，紅桿菌科、異孢菌科和黃單胞菌科是R0和R1的優(yōu)勢(shì)菌，表明他們對(duì)抗生素具有一定程度的耐藥性，并在維持顆粒狀穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用。此外，添加抗生素后，硝化螺菌科、紅環(huán)菌科在R0中豐度下降而在R1中上升，腐螺旋菌科也在R1中富集。據(jù)報(bào)道，硝化螺菌科、紅環(huán)菌科和腐螺旋菌科與廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除密切相關(guān)，微藻可能促進(jìn)其在ABGS中的生長(zhǎng)，也表明ABGS中的微藻生長(zhǎng)也有利于提高硝化螺旋體科、紅環(huán)科和腐螺旋體科的耐藥性。此外，韋榮氏球菌科主要富集在R0中，韋榮氏球菌科與污水處理廠大量ARGs和intI1呈顯著正相關(guān)，這可能是造成R0中ABGS中ARGs水平低于BGS的部分原因。真核生物屬水平相對(duì)豐度分析結(jié)果顯示，ABGS中斜生四鏈藻和小球藻的持續(xù)生長(zhǎng)提高了抗生素和常規(guī)污染的去除效率。

研究結(jié)論

本文研究了微藻生長(zhǎng)對(duì)ABGS中TC和SDZ混合物去除，以及對(duì)和ARGs/ARGs宿主衰減的影響。與BGS相比，ABGS不僅能更有效地去除抗生素，而且還能大大減少ARGs/ARGs宿主的生成，網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)一步揭示了宿主細(xì)菌與ARGs之間的共現(xiàn)模式，BGS中MGEs和ARGs宿主的相對(duì)豐度顯著高于ABGS，本研究結(jié)果表明，ABGS是一種更有前途的含抗生素廢水處理生物技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

1.Xiaole Yin, et al.”ARGs-OAP v3.0: Antibiotic-Resistance Gene Database Curation and Analysis Pipeline Optimization.”Engineering?27.(2023):234-241.2.Liu Wenhao, et al.”Microalgae simultaneously promote antibiotic removal and antibiotic resistance genes/bacteria attenuation in algal-bacterial granular sludge system.”Journal of Hazardous Materials?438.(2022):129286-129286.