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文献解读 | Microbiome -ONT宏基因组揭示从污水到活性污泥的ARGs与MGE的关联转变

抗生素耐药性的传播是一个日益严重的全球公共卫生威胁,而污水处理厂(WWTPs)富含微生物的活性污泥环境可能是抗生素耐药性基因(ARG)传播的重要因素之一。本研究通过应用长读长(Nanopore)测序来分析ARG及其邻近基因,比较它们在三大洲五个WWTPs活性污泥中的丰度、遗传位置、移动潜力和细菌宿主,从而阐明它们在活性污泥处理中的命运,并确定活性淤泥池(AS)工艺如何改变原始污水抗性组的总体趋势。

 

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文章标题:Long-read metagenomic sequencing reveals shifts in associations of antibiotic resistance genes with mobile genetic elements from sewage to activated sludge

标题译名:长读宏基因组揭示了从污水到活性污泥的抗生素抗性基因与移动遗传元件的关联转变

发表期刊:Microbiome(IF:14.650)

发表时间:2022.01.29 

 

研究策略:

 

从美国、瑞典、瑞士、香港(中国)和印度的五个污水处理厂中获得原进水池的污水样本(IN)和活性淤泥池的污泥样本(AS),并使用MinION测序仪进行测序。基于测序后的reads进行ARG识别、携带ARG的reads与MGEs的共定位分析、ARG的定位(质粒或染色体)、噬菌体注释、转座元件、整合元件和共轭元件的鉴定。

 

主要研究结果

 

在所有研究样本中,共检测到377个属于16类抗生素耐药性的独特ARG。

 

1、AS中ARG总的相对丰度降低,总的ARG特征发生变化

在所有WWTPs中,ARG总相对丰度从IN到AS下降了75-90%(图1)。在WWTPs之间观察到的大量的区域差异也与最近使用Illumina测序技术进行的全球污水监测相一致,其中从非洲和亚洲获得的样本在ARG总丰度上排名最高。

 

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图1. ARG总丰度从IN到AS呈下降趋势

 

抗性组组成经历了从流入水(IN)到AS的显著转变(图2)。IN比AS具有更多独特的ARG,占所有检测到的ARG的94%,其中在AS中鉴定到137个,共13个类别,IN中鉴定到355个,共16个类别。

 

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图2. 从IN到AS,ARG分布的改变

 

2、ARG的移动潜力

ARG的遗传位置因ARG类别而异

在311个具有可识别遗传位置的独特ARG中,25%被分配为质粒编码,22%仅在染色体上,其余53%被分配给样品中的质粒和染色体。并且一个独特的ARG的遗传位置取决于它所属的类别(图3a)。例如,更多β-内酰胺类ARG被分配到质粒或染色体,但较少的ARG可能同时出现在质粒中。更多氟喹诺酮类和甲氧苄啶类ARG可能只携带在质粒上。

 

位于质粒上的ARG丰度百分比在AS中下降

在可以确定遗传位置的情况下(占ARG总丰度的59-71%),推定的质粒携带的ARG在5个污水处理厂的IN中占ARG丰度的40-73%,在AS中占ARG丰度的31-68%(图3b)。相对于IN,在除香港以外的所有WWTPs的AS中,分配给质粒的ARG百分比丰度都有所下降。

 

在AS中,含有MGEs的ARG的丰度百分比下降

与染色体或质粒上的MGE标记基因的共定位可能表明潜在的ARG移动性。共有33%的ARG与整合、转座或共轭元件的reads共定位。从IN到AS过程中,有4个WWTPs中的无MGE标记基因的reads所编码的ARG的比例增加,相反,在AS中,这些含有整合、转座和共轭元素的ARG的比例下降或保持在相同水平(图3c)。但香港污水处理厂中MGE相关的ARG略有增加,而印度污水处理厂中MGE相关的转座因子略有增加。这些结果与五个厂中的四个厂的质粒序列减少一致(图3b),考虑到质粒比染色体或未分类序列更频繁地编码MGE相关的ARG(图3d)。当按遗传位置对ARG进行分组时,发现携带ARG的MGE更频繁地在质粒上编码,而不是在染色体reads或未分类reads上(图3d)。

 

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图3. ARG流动的潜力

 

3、ARG宿主:ARB种群

ARB代表了整个细菌群落的一个独特子集

在IN和AS中,ARB种群的分类组成与整个细菌群落的分类组成始终不同(图4a)。并且ARB种群的分类群数目降低了20倍,Shannon多样性更低,β-多样性更高。表明ARB不是整个群落的随机子集,一些分类群更可能具有抗生素抗性。ARB群体包括丰富的门(变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门)和次要门(图4b)。

 

ARB的种群从IN转向AS

AS中的ARB种群在分类学组成上与IN中的种群不同,尽管污水处理厂之间的差异很大(图4a)。与IN的ARB种群相比,AS门水平的显著差异是ARB中的拟杆菌门和厚壁菌门的相对丰度下降。

 

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图4. 细菌群落独特的分类概况

 

4、谁携带哪些ARG?

ARG类与宿主门之间的固定联系

图5通过网络分析说明了ARG与其宿主之间的物理联系。在这里对非质粒ARG方面鉴定出了一些关键模式。结果发现,某些ARG类往往倾向于IN中的特定的门类。例如,除了瑞典的IN,efux类主要存在于变形菌纲中,氨基糖苷类耐药主要发生在变形杆菌门。MLS类ARG在几个门中分布较为均匀,但在瑞典IN中,69%的ARG由厚壁菌门携带。从IN到AS,各ARG之间的环境分类联系是一致的。例如,在4个WWTPs的IN和AS中,β-内酰胺类ARG的宿主保持相似。

 

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图5. ARG类别与它们在质粒或细菌宿主门上假定位置之间的联系

 

在AS中,假定的病原体宿主的ARG多样性下降

在所有WWTPs的AS过程中,假定的病原体宿主携带的非质粒ARG的多样性和丰度都急剧下降。在IN的假定病原体中,识别出同一系列ARG(如GES-7、-10、-13、-20等)的多个最佳匹配的ARG和流出的全套ARG。

 

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图6. 假定的病原菌中ARG及其丰度

 

全文总结

 

本研究利用Nanopore测序技术获得了关于ARG的相关定量信息,表明传统WWTPs中的AS过程对大多数ARG的增殖起到了屏障作用,通过活性污泥中活性生物量生长的垂直基因转移是染色体ARG传播的关键途径,而那些持续或增加的ARG则值得进一步关注。

 

参考文献

Dongjuan Dai, et al. Long-read metagenomic sequencing reveals shifts in associations of antibiotic resistance genes with mobile genetic elements from sewage to activated sludge, Microbiome, 2022. Doi: 10.1186/s40168-021-01216-5.

 

 

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