临床相关微生物类群对污水厂污泥中抗生素耐药基因变化的影响

人类来源的化学与生物污染物汇集到市政污水处理厂，其中包括种类繁多的抗生素、抗生素耐药基因（ARGs）与机会致病菌。近期许多研究关注到了市政污水中药物与微生物群落的公共卫生意义，提出基于市政污水开展流行病的监测与预警。相比于“瞬时”的市政污水厂进水，市政污泥细菌群落的代表性更强，能够反映一定时期内市政污水厂微生物群落的特征。然而，市政污泥细菌群落与ARGs具有高度的多样性和变异性，ARGs时间动态与细菌群落系统发育结构的内在关系有待深入探究。

本研究通过宏基因组学和机器学习解读了1个市政污水处理厂（MWTP）中为期1年的抗生素抗性组，ermB这样的高风险ARGs以及分枝杆菌（Mycobacterium）等潜在病原体被列为生物标志物；污泥中的功能类群和临床相关类群共同导致了 ARGs 的季节性变化。

主要结果：

ARGs的季节性变化

本研究共检测到19种ARG类型和419种ARG亚型，ARGs的相对丰度和多样性呈现季节性变化，冬季和春季较高。高危ARGs和核心ARGs：检测到12种WHO列出的高危ARGs，其在冬季和春季的丰度较高。此外，还确定了82种核心ARGs。 ARG生物标志物：通过随机森林模型确定了15种重要的预测ARGs作为季节性变化的生物标志物。

图1.城市污水处理厂抗生素耐药基因 （ARG） 的季节性变化

MWTPs中的抗生素

分析了磺胺类、四环素类、氟喹诺酮类和大环内酯类抗生素在夏季和冬季的浓度，发现抗生素浓度存在季节性变化，且与ARGs类型相关。

图2.一年内的核心 ARGs 和城市污水处理厂季节性动态的生物标志物 ARGs变化

细菌群落的季节性变化

细菌群落的相对丰度和多样性在季节间存在差异，秋季的丰富度和多样性较高。研究共鉴定出17种潜在致病性菌属，其在春季和冬季的丰度较高，确定了172种核心菌属，通过随机森林模型确定了8种菌属作为季节性变化的生物标志物。

图 3.城市污水处理厂细菌群落的季节性变化

活性污泥功能类群和临床相关类群对ARGs季节性动态的贡献

随机森林回归模型分析：临床相关类群与高危ARGs密切相关，活性污泥功能类群与非高危ARGs相关。宏基因组分箱验证：冬季和春季临床相关分类群的高流行率导致了高危ARGs的富集。

图4.ARGs 的季节性动态与 MWTPs 中细菌属的季节性动态之间的关联

主要结论：本研究深入研究了MWTPs中细菌群落与ARGs动态之间的相互作用，发现高危ARGs和潜在病原体在寒冷季节的丰度较高，活性污泥细菌群落中的功能类群和临床相关类群在驱动ARGs动态方面具有不同的作用。研究结果有助于理解MWTPs中ARGs的季节性动态，评估污泥的生物安全性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122598.