中国湖库水体细菌抗生素抗性基因的大尺度生物地理格局

标题:Large-scale biogeographical patterns of bacterial antibiotic resistome in the waterbodies of China

中文标题:中国水体细菌抗生素抗性的大尺度生物地理格局

期刊:Environment International

年份:2018

通讯作者:杨军,中国科学院城市环境研究所


前言:

自20世纪40年代以来,抗生素被广泛用于治疗细菌感染,并掀起了全球医学革命。然而,随之而来的全球范围内的抗生素抗性问题成为了人类驱动生物进化的典型案例——例如,仅在某种新型抗生素首次投入使用几年后,其相应的抗性就被发现,原有针对性的抗生素治疗随之失效。21世纪以来,抗生素抗性被国际公认为是公共健康的严重威胁,细菌对抗生素产生抗性的关键是携带有相应的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)。近年来,科学家发现ARGs在各种环境中广泛存在;特别是,生活污水、医疗垃圾、水产和畜牧养殖废水中含有大量抗生素和丰富多样的ARGs。这些废水中的ARGs可以通过多种途径进入自然水环境中,水生生态系统对细菌ARGs的产生、交换、进化和传播起到了至关重要的作用。然而,目前针对自然水体中ARGs分布规律的研究还十分缺乏,对生物地理学过程如何影响ARGs空间分布知之甚少。

文章简介:

本文采用高通量荧光定量PCR(high-throughput qPCR)方法,研究了中国42个湖泊和水库水体中ARGs的地理分布格局。研究区域跨越了2700 km(直线距离)的范围,纬度范围从24°N到50°N。

本文研究目的:

(1)确定中国湖泊/水库中ARGs的丰度和多样性大尺度地理分布模式;

(2)揭示驱动ARGs地理分布的生态过程和机制。

对ARGs大尺度空间分布规律的研究可以提高我们对ARGs在生态系统中传播过程与机制的认识,也有助于我们预防和控制自然水域和人工生态系统中ARGs的产生、富集和扩散。

 

 

本文具体回答以下几个科学问题:

(1)湖库ARGs组成是否表现出距离衰减关系?

(2)驱动微生物生物地理分布的四个基本过程(选择、漂变、扩散和变异)如何影响ARGs生物地理格局?

研究结果:

(1)中国湖库水体中ARGs存在显著的生物地理格局,即中国中部和南部湖库(FJ+CJ+ECC)中ARGs丰度和组成与北部湖库(IM+NEC)相比显著不同,且ARGs有显著的距离衰减关系。本研究共检出167种ARGs和9种可移动遗传因子(mobile geneticelements, MGEs)。ARGs检出种数变化范围从15种(升金湖)到57种(湖边水库)(平均值=32,n=42)。ARGs的绝对丰度(即拷贝数/升)为5.95×106-1.85×109,平均值为4.33×108±7.19×107(n=42)。中国中部/南部湖库同北部湖库相比,ARGs绝对丰度、ARGs种类数和多样性指数之间没有显著差异(图3A,3C和3D)。然而值得注意的是,中部/南部地区湖库中的ARGs标准化丰度显著高于北部地区。与标准化丰度相似的是,中东部湖泊的ARGs平均丰富度最高,其次是福建、长江中下游、内蒙古和东北,但这五个地区之间的差异并不显著。五个地区ARGs组成的空间格局显著不同(global R=0.206,P=0.004)。有趣的是,中国北部湖库大部分汇聚于排序图上方,而中部和南部湖库大部分聚集于排序图下方(global R=0.268,P=0.001)。

 

(2)流域人类活动引起的抗生素选择压力是影响中国湖库中ARGs地理分布的重要因素。本研究中我们选取了7个主要指标表征人类活动强度,包括人口密度、GDP、城市生活污水排放量、诊疗病人数、住院病人数、肉类产量和水产品产量。我们发现这7个指标与ARGs标准化丰度呈显著正相关。然而,ARGs标准化丰度与绝大多数水体理化因子之间并没有显著的相关性。此外,方差分解表明,人类活动因素(独立解释量为14.93%)对ARGs组成的地理分布影响最大,其次是空间因素(8.93%),细菌组成(5.49%)和理化因素(0.44%)。然而,尚有43.55%的ARGs地理分布是未被解释的,可能受到其他因素影响。

 

(3)ARGs与MGEs(可移动遗传因子)的绝对丰度显著相关(Spearman r=0.600,P<0.01)。然而,ARGs与MGEs的标准化丰度之间没有显著相关性(Spearman r=0.299,P>0.05)。就绝对丰度而言,整合子基因intI-1与氨基糖苷类、β-内酰胺类和MLSB(大环内酯类、林可酰胺类和链霉菌素B类抗生素)类抗性基因相关性较高,转座子基因tnpA-04与氨基糖苷类、FCA(氟喹诺酮类、喹诺酮类、氟苯尼考、氯霉素和酰胺醇)、MLSB、磺胺类、四环素类、万古霉素和多重耐药基因之间具有高的相关性。就标准化丰度而言,没有观察到整合子基因与ARGs有显著相关性,但转座子基因(tnpA-03tnpA-04tnpA-05)与某些ARGs的相关性较高。整合子和转座子基因与ARGs之间的相关性表明,一些整合子和转座子可能参与某些特定ARGs的水平转移。

 

(4)本研究采用网络分析揭示了细菌OTUs (operational taxonomic units)与ARGs之间存在共现关系。发现49个科的细菌与8大类ARGs之间存在密切的相关性。多重耐药基因与24科35 OTUs显著相关。氨基糖苷类抗性基因与19科29 OTUs显著相关。MLSB与13科17 OTUs显著相关。β-内酰胺类、磺胺类、万古霉素类、四环素类和FCA类抗性基因都与某些细菌显著相关。属于丝状菌的OTUs与ARGs之间显著相关性最多,其次是鞘脂单胞菌科和浮霉菌科。

 

结论:

基于对中国42个湖库ARGs的研究,我们的结果表明,在国家(或大陆)尺度上,中国湖库水体中的ARGs存在明显的生物地理分布格局,即中国中部/南部湖库中ARGs丰度和组成与北部湖库具有显著差异,并且ARGs组成相似性具有显著的距离衰减关系。流域人类活动、空间和理化因素以及细菌组成对ARGs组成的空间分布有显著影响,其中人类活动因素影响最大。由于人类活动的增强,中国中部/南部湖库中ARGs的标准化丰度比北部湖库高,这种丰度差异主要是不同地区湖库水体中氨基糖苷类和多重耐药性基因的差异所致的。总体而言,与人类活动相关的选择过程和可移动遗传因子引起的基因水平转移与水体中ARGs的地理分布密切相关,而水体理化因素和扩散限制在ARGs地理分布上也发挥着一定作用。总之,ARGs的富集和扩散对公共健康和自然生态系统健康均构成威胁,而细菌ARGs的富集、扩散和传播的根本原因是人类的不合理的活动。我国是抗生素生产和使用大国,未来应该更加重视细菌抗生素抗性基因的环境行为、安全评估和风险防控方面的研究。

参考文献:

Liu LM1, Su JQ1,Guo YY1, Wilkinson DM, Liu ZW, Zhu YG, Yang J*, 2018. Large-scale biogeographical patterns of bacterial antibiotic resistome in the waterbodies of China. Environment International 117: 292−299.

全文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412017319906

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