鞠峰科研團(tuán)隊(duì)的此項(xiàng)研究成果于7月20日在環(huán)境領(lǐng)域頂刊《Environmental Science & Technology》上發(fā)表，西湖大學(xué)2019級(jí)博士研究生袁凌為第一作者，西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員鞠峰為通訊作者。該研究同時(shí)獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目的資助。
污水處理廠是抗性基因的匯聚地和中轉(zhuǎn)站
抗生素是由微生物分泌的能夠抑制或殺死其他微生物的一類化學(xué)物質(zhì)，在臨床上廣泛用于治療細(xì)菌感染性疾病。然而，由于抗生素的廣泛使用甚至濫用（例如：養(yǎng)殖業(yè)），導(dǎo)致部分致病細(xì)菌獲得了耐藥性，能夠在抗生素存在的情況下繼續(xù)生長(zhǎng)和繁殖，使得原本通過(guò)抗生素治療可以治愈的疾病重新成為了“無(wú)藥可醫(yī)”的難題。
目前，全球抗生素耐藥性問(wèn)題已十分嚴(yán)重，是全球公共衛(wèi)生安全面臨的一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，抗生素的環(huán)境污染與生態(tài)毒性近年來(lái)也引起了日益廣泛的關(guān)注。細(xì)菌的抗生素耐藥性通常由基因編碼，相關(guān)基因稱為抗生素抗性基因（ARG，antibiotic resistance gene）。
生活污水、預(yù)處理后的醫(yī)院污水、抗生素制藥廠廢水等介質(zhì)中的抗性基因最終會(huì)匯集于污水處理廠，經(jīng)過(guò)各種物理化學(xué)與生物處理工藝后，仍會(huì)有少部分抗性基因殘留于出水中并重新進(jìn)入到水環(huán)境，存在耐藥性傳播的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，污水處理廠也因此被視為抗性基因的匯聚地和中轉(zhuǎn)站。
那么，污水處理廠中抗性基因的攜帶者是誰(shuí)？它們?cè)谖鬯幚磉^(guò)程中扮演著怎樣的角色呢？
圖2 抗生素抗性基因在環(huán)境中的遷移途徑
污水處理廠中攜帶抗性基因的宿主細(xì)菌信息
通過(guò)對(duì)瑞士的12家污水處理廠微生物組DNA和mRNA測(cè)序數(shù)據(jù)（或稱：宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組）的生物信息學(xué)分析與基因組學(xué)挖掘之后，鞠峰科研團(tuán)隊(duì)共恢復(fù)了248個(gè)獨(dú)特、高質(zhì)量的基因組草圖，發(fā)現(xiàn)其中有65%的基因組草圖編碼了抗性基因，且有45%的基因組草圖編碼了多種類別的抗性基因，可能對(duì)多種抗生素具有耐藥性。從抗性基因的類別來(lái)說(shuō)，對(duì)桿菌肽、氨基糖苷、β-內(nèi)酰胺類抗生素的抗性基因是最普遍的類型。
圖3 恢復(fù)基因組草圖中抗性基因的分布情況
在這些抗性基因宿主細(xì)菌當(dāng)中，有一部分宿主被注釋為條件致病菌，包括引發(fā)腸胃炎的氣單胞菌屬等，推測(cè)主要來(lái)自于污水處理廠服務(wù)地區(qū)居民的腸道菌群。這些潛在致病菌是污水處理廠中抗性基因的活躍表達(dá)者，它們?cè)谖鬯M(jìn)水中具有很高的豐度和活性，且在出水中并未被完全除盡，存在人類通過(guò)污水或受納水體等途徑與致病菌接觸后被感染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
另一類活躍的抗性基因宿主細(xì)菌是污水處理廠中土著的反硝化細(xì)菌，反硝化細(xì)菌是污水生物除氮工藝的執(zhí)行者之一，通過(guò)反硝化作用將污水中的硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，達(dá)到去除氮營(yíng)養(yǎng)元素，防止受納水體富營(yíng)養(yǎng)化的目的。此研究中發(fā)現(xiàn)有90%以上的反硝化細(xì)菌編碼了抗性基因，考慮到污水處理廠中存在多種抗生素帶來(lái)的選擇壓力，反硝化細(xì)菌攜帶抗性基因可能有助于它們?cè)谖鬯股氐倪x擇壓力下更好地生存。
圖4 潛在致病菌和土著反硝化菌是污水處理廠中抗性基因的活躍表達(dá)者
目前，城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)主要針對(duì)生活污水中的有機(jī)污染物和營(yíng)養(yǎng)元素等傳統(tǒng)污染物進(jìn)行去除，并沒(méi)有針對(duì)抗生素和抗生素抗性基因的經(jīng)濟(jì)可行的處理措施。我們生活污水中殘留的抗生素、抗性基因和抗性細(xì)菌會(huì)隨著出水重新排放到環(huán)境中，存在耐藥性傳播的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
鞠峰科研團(tuán)隊(duì)的此項(xiàng)研究詳細(xì)調(diào)查了污水處理廠中抗性基因宿主細(xì)菌的身份、分布、活性、功能等關(guān)鍵信息，首次解析了污水處理過(guò)程中抗生素耐藥性和脫氮功能的交互作用。研究指出，污水處理的微生物群落中的病原菌和土著反硝化菌是抗性基因的主要宿主，且在污水處理過(guò)程中并未被完全去除。因此應(yīng)對(duì)已處理的出水謹(jǐn)慎處置以免帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。
同時(shí)，此研究首次建立了基于基因組解析的絕對(duì)定量宏轉(zhuǎn)錄組的分析方法。該方法解決了此前廣泛使用的僅基于重疊群對(duì)抗生素抗性基因進(jìn)行研究所存在的準(zhǔn)確識(shí)別宿主分類較為困難的問(wèn)題，并結(jié)合絕對(duì)定量技術(shù)，定量檢測(cè)了污水處理廠中抗性基因及其宿主在污水原位環(huán)境中的活性，而非僅停留在常規(guī)相對(duì)定量或DNA分析的水平，拓展了對(duì)于污水耐藥組關(guān)鍵特征的認(rèn)知。這項(xiàng)工作對(duì)未來(lái)城鎮(zhèn)污水廠工程微生物組與抗生素耐藥組的監(jiān)控以及定量宏組學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化分析與深度挖掘具有指導(dǎo)意義。
實(shí)驗(yàn)室介紹
西湖大學(xué)環(huán)境微生物組與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Westlake EMBLab）開(kāi)展環(huán)境工程學(xué)與微生物學(xué)交叉學(xué)科研究，選取環(huán)境微生物組為主要研究對(duì)象，以群落結(jié)構(gòu)功能解析、構(gòu)建理論、功能調(diào)控為研究主線，發(fā)展微生物群落的定量宏基因組、定量宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、網(wǎng)絡(luò)分析等方法，解密群落功能的構(gòu)建原理，建立功能設(shè)計(jì)與調(diào)控方法，致力于通過(guò)環(huán)境學(xué)原理與生物學(xué)前沿技術(shù)與理論的交叉融合，為生態(tài)環(huán)境修復(fù)與資源化工程研究提供新技術(shù)和新視角。
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EMBLab負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介
鞠峰，西湖大學(xué)研究員、博士生導(dǎo)師，環(huán)境微生物組與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（EMBLab）負(fù)責(zé)人，浙江省海岸帶環(huán)境與資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)工程院院刊《Engineering》編委、Cell Press旗下《The Innovation》青年編輯、《Environmental Science & Ecotechnology》青年編委、 Frontiers系列《Environmental Science》、《Microbiology》、《Bioengineering and Biotechnology》期刊編委與審稿編輯，曾擔(dān)任加拿大自然科學(xué)與工程理事會(huì)（NSERC）國(guó)際評(píng)審專家，國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì) (ISME) 、國(guó)際水協(xié)會(huì) (IWA)、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)等會(huì)員 (CSES)。2015年獲香港大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，2015-2018年在瑞士聯(lián)邦水科學(xué)與技術(shù)研究所 (EAWAG) 從事微生物生態(tài)與抗生素耐藥方向博士后研究，2018年至今在西湖大學(xué)擔(dān)任特聘研究員。鞠峰博士從事環(huán)境生物技術(shù)與微生物組學(xué)研究，曾獲中國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)“水云天微生物生態(tài)青年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)-特等獎(jiǎng)”（2018）、香港科學(xué)會(huì)“青年科學(xué)家獎(jiǎng)”（2016）、香港大學(xué)“杰出研究型研究生獎(jiǎng)”（2015）。目前參編“環(huán)境生物技術(shù)”主題英文專著章節(jié)2篇和“微生物組”主題中文專著章節(jié)5篇，在The ISME Journal、Environmental Science & Technology、Water Research、Science of the Total Environment等環(huán)境生態(tài)學(xué)與微生物學(xué)領(lǐng)域知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，谷歌學(xué)術(shù)引用 3000余次。
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