解析全球家庭饮用水微生物组功能特征与健康影响

摘要：本研究通过对全球范围内的家庭自来水样本进行宏基因组数据分析，重点关注了不同代谢功能模块的多样性、病原菌、抗生素耐药菌的存在和功能，旨在深入探究饮用水微生物组的功能特征、健康影响以及潜在的公共卫生风险。

背景：确保饮用水的生物安全性对于保障公共卫生至关重要，源水水质、饮用水处理工艺与管网系统、以及室内建筑设计与材料等因素，共同塑造了饮用水从生产到输送至家庭水龙头的整个过程中微生物组的结构与功能，亟需构建全球饮用水微生物组的基因目录。饮用水中生物污染物，尤其是病原体和携带抗生素抗性基因（ARGs）的微生物的浓度常因常规检测方法的局限性和污染物生物量低而被低估。因此，该研究收集了覆盖五大洲九个国家/地区的96个样本、共计116个可用的自来水宏基因组数据集，并应用宏基因组分箱方法解析微生物基因组。

主要结果：

研究对全球48个城市的116个饮用水宏基因组数据集分箱得到1873个MAGs，经阈值过滤（完整度≥50%，污染率≤10%）后，最终获得859个MAGs用于后续分析，其中29%的MAGs是接近完整基因组。在 859 个 MAGs 中，847 个归属 27 个细菌门，12 个归属 2 个古菌门。主要细菌门类为变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、微小菌门和浮霉菌门。

图1.宏基因组组装基因组(MAGs)和系统发育树

共有58个MAGs携带ARG，其中52个属于变形菌门，说明变形菌门细菌是主要的ARG宿主。共鉴定出74种亚型ARG，最多的是Multidrug，其次是Bacitracin。归属于埃希氏菌属的MAG bin690携带的ARG最丰富，多达38种亚型，占所有检测到的ARG亚型比例的51.4%。

图2.携带ARG的MAGs的鉴定

共42个MAGs含有多种毒力因子基因（VFGs），归属于三个细菌门：变形菌门（n = 35）、放线菌门（n = 6）和厚壁菌门（n = 1）。主要的VFG类别是粘附（29.0%）、铁摄取（20.6%）和分泌系统（19.1%），其中 htpB、acpXL、bfmR 和 dotB 的 VFGs 最常被 MAGs 携带。4个MAG被认为是潜在致病菌，分别是A.pittii (bin26)、A.junii (bin645)、A.ursingii (bin780) 以及M.iranicum (bin279)。其中bin645和bin780含有可移动遗传元件（MGEs）如位点特异性重组酶，这可能会提高饮用水中ARGs发生水平转移的可能性。

图3.携带VFGs和致病性MAGs的鉴定及地理分布

网络分析揭示了 MAGs 之间存在显著的相关性，大多数携带VFs的MAGs与不携带VFs的MAGs bin2 (Opitutaceae sp.)及bin410 (Nanopelagicales sp.)聚集在模块I中，病原菌聚集在模块II和模块III中。6个属于分枝杆菌属的潜在病原菌bins形成了两个独立的模块。有趣的是，归属于甲基孢囊菌属（Methylocystis）的 bin96 与两个潜在致病性 MAGs（bin364 和 bin680）存在强相关性，并与模块Ⅱ中的另外两个致病性 MAGs 聚集在一起。

图4.高风险 MAGs 网络分析

主要结论：本研究构建了全球饮用水微生物组的基因目录，重建了859个高质量的宏基因组组装基因组（MAGs），涵盖27个细菌门和2个古菌门，并发现属于变形菌门的核心MAGs在33个关键完整代谢模块中编码了最高的代谢功能多样性。研究发现短芽孢杆菌属和甲基单胞菌属的两个核心MAG编码了甲烷代谢相关基因。研究鉴定出4个完全氨氧化亚硝化螺菌属的MAGs，其功能代谢分析表明它们可能具有混合营养生长能力，并编码活性氧胁迫防御和亚砷酸盐还原相关基因。研究发现约氏不动杆菌（A. junii）和乌尔新不动杆菌（A. ursingii）的基因组含有抗生素抗性基因和可移动遗传元件。进一步的网络分析表明，那些支持病原菌生长的共生微生物可作为未来监测和去除的目标。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.121094.