宏基因组技术揭示了噬菌体相关抗生素耐药基因从污水处理厂的进水到出水的变化

　　抗生素抗性对全球健康构成了重大威胁，而微生物丰富的活性污泥环境可能有助于抗生素抗性基因(ARGs)的传播。ARGs通过多种传播途径在不同的细菌群体间传播，包括由噬菌体(phages)介导的水平基因转移。然而，噬菌体在污水处理系统中传播ARGs的潜在作用仍然不清楚。这项研究对中国东部九个污水处理厂(WWTPs)的进水(Inf)和出水(Eff)样本中的抗性基因核心(core resistome)、移动遗传元件(MGEs)和与病毒相关的ARGs(vir_ARGs)进行了表征。

　　在18个水样中，发现18个ARG类型和282个亚型，分别占ARGs类型的72.0%和22.7%，污水处理厂是ARGs的储集层。6种丰度ARG类型占ARG总量的85.1%(图1a)。不同废水类型的ARGs丰度不同。在Inf样本中检测到18种ARG类型和242种ARG亚型，在Eff样本中检测到17种ARG类型和148种ARG亚型。处理过程减少了ARGs的抗性组丰度，抗性组的成分从进水到出水发生了变化。ARGs的宿主也出现了转变。这些结果表明，ARGs的HGT和新ARGs的产生发生在废水处理过程中。ARG丰度与这些环境因子无关。抗生素残留浓度与出水中ARG丰度无显著相关性。

　　图1：Inf和Eff样本中的ARG图谱

　　核心ARG谱由21种ARG亚型组成，其中8种耐药类型占主导地位(图2a)，比例从38.70%到83.70%不等。Eff样品中大多数核心ARGs的相对丰度明显低于Inf样品，一些ARG保持了相对较高的丰度水平，尤其是多药耐药性和杆菌肽(图2b)。AL、AH和BJ中sul1、aph-I和rosB的相对丰度从Inf增加到Eff(图2c)。磷酰霉素宿主的分析结果与此一致，主要来自变形菌门中的柯氏杆菌、假单胞菌和不动杆菌。

　　图2：Inf和Eff样品中核心ARGs的丰度

　　鉴定了100个次要的MGE类别，并将其分为五组，最多的MGEs(n=42)被归类为噬菌体相关的生物过程。在所有样品中，与控制、介导或辅助位点特异性重组(IE)相关的MGE是主要的MGE机制(平均42.96%)，其次是参与RRR机制的MGE(平均19.69%)，以及与噬菌体相关生物过程相关的MGEs(P)(平均15.33%)(图3a)。除了与RRR机制相关的MGEs外，与其他四种机制相关的MGEs丰度也经历了从进水到出水的显著变化(图3b)。与IE机制相关的MGEs减少，与P、T和STD机制相关的MGEs显著增加。与噬菌体相关过程相关的MGE从12.68%增加到21.10%(图3b)，表明噬菌体在Eff样本中比在Inf样本中参与更频繁的基因转移。PCA分析还表明，Inf和Eff样品之间的MGE组成存在差异(图3c)。

　　图3：Inf和Eff样品中MGEs的丰度

　　Inf样品中核心ARGs和MGEs的相对丰度之间没有显著相关性(图4a)。Eff样品中核心ARGs的相对丰度与IE、P、RRR和STD机制呈强正相关(图4b)，MGEs在塑造污水处理厂出水中ARG分布方面发挥着重要作用。在进水和出水样本中，共检测到58个独特的vir_ARGs，出水样本比进水样本表现出更高的vir_ARGs多样性。

　　图4：核心ARGs和MGE机制之间的相关性

　　统计分析表明，出水样本中的核心ARGs特征、与噬菌体相关过程相关的MGEs以及vir_ARGs组成之间存在稳固的关系。此外，还在病毒基因组中观察到MGEs和ARGs的共现，共现率在22.73%至68.75%之间。这种共现可能加剧了ARGs在WWTPs内的持续存在和传播。

　　图5：分别对Inf(a)和Eff(b)样品中核心ARGs丰度和五种MGE机制进行网络分析

　　本研究评估了污水处理厂Inf和Eff样品中的抗生素耐药组和病毒组抗生素抗性基因，废水处理过程改变了关键ARG从进水到出水的分布。在废水处理过程中，一些ARG无法消除。多重耐药、氨基糖苷类、磺胺类、杆菌肽、四氯酸、MLS、磷酰霉素和β-内酰胺类药物的ARGs可以释放到下游受体环境中。与病毒相关的ARGs谱也经历了从进水到出水的转变。MGEs和ARGs在病毒重叠群中的同时出现可能会加剧ARGs的维持和传播。这些发现表明，废水处理系统中的噬菌体转导ARGs可能被忽视了。需要进一步的研究来验证病毒携带的ARGs的功能，以评估ARG通过噬菌体转导传播的潜在风险。

　　论文链接： https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121289