文章题目：Spread of antibiotic resistance genes in drinking water reservoirs: Insights from a deep metagenomic study using a curated database

文章链接：DOI: 10.1016/j.watres.2024.121572

发表时间：2024-06-01

期刊：Water Research

影响因子：12.8

研究背景

抗生素耐药基因是微生物在长期使用抗生素后形成的一种防御机制，它们能够赋予微生物对抗生素的抵抗能力。然而，当这些基因通过水平基因转移等方式传播到环境中的其他微生物时，就可能造成严重的公共卫生问题。因此，了解ARGs在环境中的传播路径和机制，对于我们制定有效的防控策略至关重要。

这项研究聚焦于抗生素耐药基因（ARGs）在饮用水水库中的传播问题，提供了关于ARGs在环境中传播的新认识。

材料和方法

样品采集与DNA提取：在浙江省16个饮用水水库采集水体和沉积物样本，采集点主要集中在饮用水入口附近。采用专用设备采样后，水样和沉积物样本在低温条件下保存，并进行三次技术重复混合后提取DNA。

深度宏基因组测序：共获得2.2 TB的高质量测序数据，通过构建DNA文库和利用DNBSEQ-T7平台进行双端测序来确保数据深度。

ARG检测与数据库构建：使用自研的ARGs-MGEs-MAP (AMM)工具，对ARGs和移动遗传元件（MGEs）进行系统识别和定量，该工具在保留高准确度的同时检测能力较传统数据库翻倍。

数据分析：应用多种统计和生物信息学方法（如PCoA、NMDS、聚类分析、共现网络、系统发育树构建等）分析ARGs在不同环境样本中的分布特征及其与MGEs的关系，同时结合公开的宏基因组数据进行对比分析。

创新点和意义

1.        检测方法提升：新构建的AMM数据库和管道显著提高了ARG检测的灵敏度和覆盖范围，使得对ARG类型和亚型的识别更全面。

2.        深度数据应用：利用2.2 TB超大规模宏基因组数据，文章不仅展示了ARG在水体和沉积物中的分布差异，还揭示了沉积物作为ARG库的重要作用。

3.        关键菌群识别：通过对ARG携带者的深入分析，确定了Acinetobacter、Pseudomonas和Mycobacterium等为主要的ARG传播节点，为未来监测和风险评估提供了新指标。

4.        环境管理启示：研究结果表明，与直接使用河水相比，建立受保护的饮用水水库更能有效降低ARG的丰富度和多样性，对饮用水安全具有重要意义。

研究结果

1. ARG分型及丰度分布

图1 展示了饮用水水库样本中检测到的17类ARG在水体与沉积物中的分布情况。通过箱形图和环状图可见，沉积物样本中不仅ARG的种类更为丰富，而且各类ARG的相对丰度也表现出明显差异，尤其是耐多药和杆菌素类基因丰度较高，说明沉积物可能作为ARG的“储藏库”。

2. ARG与MGEs的相关性及定量关系

图2 利用PCoA和Procrustes分析揭示了ARG、MGEs与微生物群落之间的密切相关性，其中ARG与MGEs之间的相关性最强。同时，通过定量关系图展示了在不同环境条件下，ARG和MGEs丰度之间呈正相关趋势，进一步证明了MGEs在ARG水平转移中的核心作用。

3. ARG-carrying contigs分布及水平转移证据

图3首先展示了在各采样点中组装的携带ARG的contigs分布情况，不同采样点上ARG类型的空间分布存在明显差异。接着，利用uppP和rsmA基因构建的系统发育树揭示了多起跨门类和跨目的水平基因转移（HGT）事件，红色三角标记的节点显示了潜在的转移事件，证明ARG可在不同微生物之间通过MGEs实现传播。

4. ARG与MGEs共现及关键携带者分析

图4 展示了在同一组装contig上ARG和MGEs的共现情况，通过柱状图形式标示了不同基因邻近关系。此外，通过对携带ARG的宏基因组组装（MAGs）构建系统发育树，可以看到Acinetobacter、Pseudomonas和Mycobacterium等细菌呈现聚类趋势，这些菌群作为ARG的主要携带者，其共存的MGEs增加了其在环境中扩散抗性基因的风险。

5. 环境样本聚类分析与分组比较

图5 采用NMDS、PAM聚类和分层聚类方法，将所有样本分为两大类（cluster 1和cluster 2）。样本在NMDS图上呈现出明显分离，violin图和堆叠条形图显示cluster 2中ARG和MGEs的丰度及多样性显著高于cluster 1，提示该类环境存在较高的抗性基因传播风险。值得注意的是，所有饮用水水库样本均归入风险较低的cluster 1。

6. 标准化共现关系与高风险ARG携带者分布

图6 展示了在同一组装contig上，经过归一化（以百万碱基对为单位）的ARG和MGEs的共现情况，不同聚类中部分ARG（如tetC、LamB等）的丰度在cluster 2中远超cluster 1，反映出高风险环境中基因转移的活跃程度。同时，通过对携带较多ARG（>5个）的bins构建系统发育树，揭示了部分来自Enterobacteriaceae等细菌的超级耐药菌风险，这些结果为评估公共健康风险提供了直接证据。

总体来说，沉积物和水样之间观察到的差异可归因于多种因素，这篇文献的研究结果表明，在水生生态系统中，沉积物充当各种ARGs的水库。此外，MGE丰度和样品类型(水或沉积物)对ARGs的分布和丰度有显著影响。

展望

多地采用饮用水水库的建设与保护区的建立相结合，以减轻人类活动，这种活动也与ARGs的丰度和多样性减少有关。这种减少的有效性取决于当地环境条件和执行的管理措施的相互作用。因此，建立严格保护措施的饮用水水库，实施全面、持续、深入的宏基因组测序监测，是缓解水介导ARGs摄入的必要措施。

参考文献

Wang S, Nie W, Gu Q, Wang X, Yang D, Li H, Wang P, Liao W, Huang J, Yuan Q, Zhou S, Ahmad I, Kotaro K, Chen G, Zhu B. Spread of antibiotic resistance genes in drinking water reservoirs: Insights from a deep metagenomic study using a curated database. Water Res. 2024 Jun 1;256:121572. doi: 10.1016/j.watres.2024.121572. Epub 2024 Apr 4. PMID: 38621316.

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