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爱游戏马竞官方合作伙伴: 北师大滕彦国教授团队WR:城市污水处理厂-河流系统中抗生素耐药性融合传播的宏基因组学见解

发布时间:2022-09-14    作者:    浏览次数:

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第一作者:章雨欣、刘畅

通讯作者:陈海洋、滕彦国

论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119061

 

图文摘要

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成果简介

近日,北京师范大学滕彦国教授课题组在Water Research上发表了题为“Metagenomic insights into resistome coalescence in an urban sewage treatment plant-river system”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2022.119061),基于高通量测序的宏基基因组组装分析,探究了某城市污水处理厂出水(eSTP)-受纳河流系统的抗生素耐药性污染情况,综合分析了eSTP耐药组在受纳河流的融合过程,查明了融合耐药组的潜在传播风险。本研究有助于加深对工程背景和自然背景下的耐药组融合的认识,为水环境耐药性风险防控策略优化提供支持。


全文速览

本研究以北京潮白河为例,结合高通量测序、宏基因组组装分析等技术方法,研究了典型污水/河水融合条件下eSTP耐药组在受纳河流中的融合过程。在该eSTP-河流系统中,共发现了609种抗性基因(ARGs),其中包括一些新ARGs,比如mcr-type,tetX和碳青霉烯酶基因。eSTP的融合提高了河流耐药组的多样性和丰度,表明河流耐药组群落对eSTP耐药组群落入侵的抵抗力较低。在融合耐药组中,eSTP输入的ARGs丰度和多样性呈现出沿河流流向先增加后降低的变化过程。FEAST溯源模型量化评估了eSTP对融合耐药组的贡献,并解释了沿河流流向贡献降低的变化。相关性网络分析和重叠群共出现分析表明,下游河流中融合的耐药组与人类致病菌(HBPs)、移动遗传元件(MGEs)和毒力因子(VFGs)同时出现,表明存在潜在的耐药组传播风险。


引言

近年来,由于抗生素的过度开发和滥用,抗生素耐药性已作为一种新兴污染物在各种环境中被广泛报道。常规污水处理厂对新污染物的处理标准尚不明确,这使得eSTP含有一定量的ARGs和耐药菌(ARB)。河流是eSTP的重要受纳水体,eSTP会与河流发生耐药组群落和所处环境的混合,即耐药组融合。本文结合高通量测序、宏基因组组装分析等技术方法,识别了eSTP-河流系统中耐药性污染情况,对比分析了耐药性融合对下游河流耐药组的影响,综合分析了河水耐药组融合和衰减动态的影响因素,定量解析了下游河流融合耐药组的来源,揭示了河流系统融合耐药组的传播风险。


图文导读

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图1. eSTP排水-河流系统中抗生素耐药性污染特征


在eSTP排水-河水系统中,共检测到609种不同的ARGs,分属于30个ARG类型。eSTP排水中的ARGs丰度显著高于受纳河流,排水、河流水体和河流沉积物之间的ARGs组成存在明显差异。河流中多药、大环内酯-林可酰胺-链霉素(MLS)、喹诺酮类、四环素和杆菌肽类ARGs的丰度最高,而在eSTP多粘菌素类ARGs具有较高的丰度。一些新ARGs被广泛检测到,比如耐碳青霉烯类肠杆菌相关基因(CcrA、FEZ-1、GES-type和OXA-type)、tetX和mcr-type。主坐标分析(PCoA)证明了eSTP、河水和河流沉积物之间ARGs组成的显著差异。

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图2.融合提高了河流耐药组的多样性和丰度


在下游河流中识别到51个上游河流没有出现的ARGs,而eSTP的输入也使下游河流中ARGs的总丰度、多药、MLS、喹诺酮、四环素和杆菌肽类ARGs的丰度均有所增加,其中杆菌肽类和耐多药ARGs的增幅最为明显,分别为33.6%和29.0%。线性判别分析(LEfSe)在下游河水和沉积物中识别出相对于上游河流丰度有高度差异的ARGs(河水中emrE、mexI、AAC(1)和dfrE等;沉积物中smeS、mexI、sul2和vanRC等)。结果表明耐药组融合显着提高了受纳河流中ARGs的多样性和丰度。

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图3.多种因素共同影响河水耐药组融合和衰减动态


河流中ARGs丰度沿水流方向呈现下降的趋势,河水的稀释效应是下游河流ARGs减少的主要原因。ARGs宿主微生物的死亡和ARGs的衰减也是融合衰减的原因,例如阳光介导的细菌光灭活。河流环境条件也会影响微生物的繁殖和死亡,河水电导率(EC)和溶解氧(DO)与ARGs总丰度呈现很强的负相关关系,河流环境条件呈现出明显的非生物过滤。利用指示种分析(ISA)识别ARGs的源特异性指纹,并使用FEAST溯源模型和ARGs指纹解析了融合耐药组的来源。受河水和排水体积比例差异的影响,上游河水是下游ARGs的主要来源,平均贡献度为88%,eSTP的贡献度为10-15%。eSTP对下游融合耐药组的贡献度随采样点距排口距离的增长而降低,表明eSTP的融合受到河水的稀释作用和自然衰减作用的影响。

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图4.eSTP-河流系统融合耐药组的传播风险


在该eSTP-河流系统中,共识别出345个潜在的HBPs,共现网络分析表明环境中的一些HBPs携带多个ARGs。宏基因组组装及其重叠群分析表明了ARGs、MGEs和VFGs的共同出现,由于群落融合和水平基因转移,耐药组可以在沉积物中积累,从而使得河流沉积物相对于河水表现出更高的抗性风险。


小结

本研究系统地调查了城市污水处理厂-河流系统的耐药组融合,利用FEAST溯源模型定量计算了eSTP对融合耐药组的贡献,并探究了融合耐药组的传播风险。结果表明,eSTP的输入提高了河流中耐药组的丰度和多样性,排水和河水的混合比例、光照、优先效应和环境条件主导了耐药组的融合。eSTP对融合耐药组的贡献随着距离的增加而减。庠趀STP-河流ARGs中表现得尤为明显。本研究还描述了融合耐药组在河流系统中的潜在传播风险,并强调了河流在耐药性风险传播中的渠道作用。


作者介绍

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第一作者:章雨欣,硕士研究生,毕业于北京师范大学水科学研究院,研究方向为水环境污染控制与修复,在Water Research,Journal of Hazardous Materials,Science of the Total Environment期刊发表论文6篇。现工作于中国城市建设研究院有限公司,联系邮箱:zhangyuxin19@163.com。

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共同第一作者:刘畅,博士生研究生,本科毕业于吉林大学,现就读于北京师范大学水科学研究院,研究方向为水土污染过程模拟与控制,在Environmental Science & Technology, Environment International, Journal of Environmental Sciences等国内外期刊发表论文9篇。联系邮箱:liuchangslgc@163.com。

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通讯作者:陈海洋,副教授、博士生导师,北京师范大学水科学研究院。主要从事环境抗生素耐药性风险防控、环境微生物组学大数据分析等方面的研究工作。发表论文30余篇,出版专著3部,获得省部级科学技术奖励4项。

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通讯作者:滕彦国,教授、博士生导师,北京师范大学水科学研究院。地下水污染控制与修复教育部工程研究中心副主任。入选北京市优秀人才培养资助计划、教育部新世纪优秀人才支持计划和国家环境保护专业技术领军人才。主要从事饮用水源管理与风险防控技术、污染物环境地球化学等方面的研究工作。主持了国家水体污染控制与治理科技重大专项课题、国家重点研发计划课题、公益性行业科研基金重大项目、国家自然科学基金面上项目等多项课题的研究工作,在国内外学术刊物上发表高水平论文150余篇,出版专著12部,授权国家发明专利15项,获省部级科学技术奖励15项。


备注: Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher.  Copyright 2022, Elsevier Inc.

参考文献:Zhang Y.X., Liu C., Chen H.Y.*, Chen J.P., Li J., Teng Y.G.*, Metagenomic insights into resistome coalescence in an urban sewage treatment plant-river system. Water Research 2022, 224, 119061

文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422010077


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