温和噬菌体的双重生存博弈：特异性抗药与广谱性防御的共生进化策略

背景知识

噬菌体是地球上数量最多、遗传多样性最丰富的生物实体，按生活策略可分为裂解性噬菌体和温和噬菌体。温和噬菌体通过溶原周期将基因组整合至宿主染色体或以质粒样元件形式存在，与宿主同步复制而不引起立即裂解。在活性污泥等工程生态系统中，温和噬菌体占据主导地位，对微生物群落动态和功能稳定性具有潜在调控作用。然而，在抗生素生产废水处理厂等环境中，抗生素浓度可达0.14–92.20 mg/L，对微生物群落施加强烈选择压力，重塑群落结构、降低多样性并损害氮磷去除等关键功能。尽管已有研究证实抗生素暴露显著影响病毒多样性，但温和噬菌体在抗生素胁迫下的多样性变化、功能潜力及其在ARG传播中的生态角色仍不清楚。此外，温和噬菌体在不利条件下倾向于整合入宿主基因组，利用宿主的环境耐受性减少自身暴露于外界胁迫；同时，为缓解溶原状态对宿主的代谢负担并增强宿主存活能力，温和噬菌体常编码ARGs和辅助代谢基因（AMGs），从而促进噬菌体-宿主共存。

图1 温和噬菌体在抗生素胁迫下促进宿主韧性的潜在机制图

研究方法

研究采用长期驯化实验结合宏基因组学分析的策略。首先，从深圳市某市政污水处理厂采集活性污泥和废水，在500 mL工作体积的生物反应器中平行运行CAP处理组（CAP浓度从20 mg/L逐步提升至120 mg/L，历时约5.5个月）和对照组。随后，将驯化污泥转移至含120 mg/L CAP的合成无机盐培养基（MSM_CAP）中进一步富集12个月；再以CAP降解的两个关键中间代谢产物（100 mg/L对硝基苯甲酸PNB或2,2-二氯乙酸DCA）为唯一碳源进行12个月富集，获得MSM_PNB和MSM_DCA组。共采集16个微生物样品，并结合前期研究报道的46个CAP降解菌群宏基因组数据集进行DNA提取和Illumina NovaSeq 4000平台测序。通过Trimmomatic质控、SPAdes共组装、metaWRAP分箱及CheckM评估获得MAGs；利用VirSorter2、VIBRANT和CheckV进行病毒序列鉴定与质量评估，结合整合酶等溶原标记蛋白及DeePhage、PhaTYP深度学习模型进行温和噬菌体分类；通过CRISPR spacer匹配、tRNA匹配和基因组同源性三种方法预测噬菌体-宿主关联；采用KofamScan、CARD和SARG数据库进行功能注释和ARG鉴定，并使用DefenseFinder识别抗病毒防御系统。

研究结果

抗生素胁迫显著重塑了温和噬菌体群落的多样性和组成。CAP处理显著降低了温和噬菌体的α多样性，且MSM_CAP条件下效应最为显著；β多样性分析显示CAP胁迫大幅改变了群落结构，MSM各处理组与对照组/CAP组明显分离。在分类组成上，对照组以Peduoviridae为主，而CAP驯化中期至后期Casjensviridae成为优势类群，MSM_CAP条件下Mesyanzhinovviridae成为最优势科。温和噬菌体编码的ARGs显著富集：共64个温和噬菌体vOTUs携带69个ARGs，涵盖39种不同耐药基因和14个耐药类别，以多药耐药（37.68%）和肽类耐药（11.59%）为主；抗生素驯化后温和噬菌体来源ARGs的相对丰度达对照组的1.56–4.15倍，其在总ARG库中的比例也显著升高1.41–4.39倍，且温和噬菌体始终比裂解性噬菌体携带更多ARGs。在辅助代谢功能方面，温和噬菌体在88个KEGG level 3通路中显著富集，包括DNA修复与重组（如recT、ligA/B、ruvC）、氧化应激缓解（叶酸生物合成）、代谢重编程（氨基酸/碳水化合物代谢）、生物膜形成（群体感应和胞外多糖生物合成）以及原核防御系统（RM、CRISPR-Cas、CBASS等54个完整系统）。噬菌体-宿主关联预测揭示了1045个相互作用，涉及585个温和噬菌体vOTUs和311个MAGs，其中11个携带ARGs的vOTUs与CAP降解优势菌（如Sphingomonas、Caballeronia、Cupriavidus）相关联，表明温和噬菌体可能通过基因水平转移增强宿主的环境适应性。

结论与意义

本研究提出了温和噬菌体介导的“双重适应机制”框架：特异性适应机制通过富集ARGs直接增强宿主对抗生素的靶向抗性；广谱性适应机制通过编码DNA修复、氧化应激缓解、生物膜形成和抗病毒防御等辅助基因，维持宿主代谢稳态、基因组完整性和群落层面的生态韧性。这一框架表明温和噬菌体不仅是遗传寄生体，更是主动的生态伙伴，通过传递互惠性遗传性状增强宿主适应性并维持微生物生态系统在人为胁迫下的稳定性。从环境意义上看，该研究揭示温和噬菌体在抗生素污染废水系统中作为ARGs和应激响应基因储存库的关键角色，可能通过稳定耐药细菌种群间接促进耐药基因向受纳水环境的传播。因此，温和噬菌体应被视为抗生素抗性生态学的整合组分而非被动中性实体。这些发现为将病毒过程纳入抗生素污染环境的风险评估框架提供了理论依据，对监测耐药风险演化和管控抗生素污染的生态后果具有重要指导价值，同时也为优化废水处理系统在药物胁迫下的稳定运行提供了新的生态调控思路。

参考来源：Li J, Liu P, Zhang Q, et al. Temperate Phages Mediate Dual Adaptive Mechanisms That Enhance Microbial Resilience in Antibiotic-Contaminated Wastewater Treatment Systems. Environ Sci Technol. Published online July 7, 2026. doi:10.1021/acs.est.6c07049.