水库蓝藻水华对自由生和颗粒附着生细菌中抗生素抗性组的影响

前言:

在世界各地的淡水生态系统中,抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)和蓝藻水华都因其潜在危害而引起了全球公众的高度关注。目前,ARGs在细菌间的流行和传播已成为对人类健康的最大威胁之一。湖泊水库水体中具有丰富多样的细菌,其中携带有ARGs的细菌被称作抗生素抗性菌,水生生态系统通常被认为是环境中ARGs的一个重要的污染源和汇。由于人类需要直接饮用水、与水直接接触(例如,游泳)以及食用水产品,所以与其他环境相比,人们更易受淡水环境中的抗生素抗性菌的感染。湖泊水库浮游细菌抗生素抗性组与细菌物种分布的动态密切相关,而细菌物种分布通常受到许多生物和非生物因素的影响。例如,细菌的生活方式、水体分层和蓝藻水华等。这些因素可以极大地影响细菌群落,但这些因素(尤其是水华)对抗生素抗性功能群落的影响及影响机制尚不清楚。

文章简介:

我们采用高通量荧光定量PCR(high-throughputqPCR, HT-qPCR)方法同时对水库蓝藻水华和非水华期间水体中的自由生(free-living, FL)和颗粒附着生(particle-attached, PA)细菌所携带的ARGs进行比较研究。

主要针对以下三个问题进行研究:

(1)蓝藻水华期间ARGs的丰度、多样性和群落组成如何变化?

(2)FL和PA细菌中的ARGs对蓝藻水华是否有不同的响应?

(3)决定性过程和中性过程在影响FL和PA细菌的抗生素抗性群落构建方面发挥了什么作用?

研究结果:

(1)水温的垂直剖面图表明我们的样品覆盖了分层引起的全部温度变化。综合营养状态指数(TSIc)表明水体在水华期处于中度富营养水平,在非水华期处于中营养和轻度富营养水平(图 1)。本研究共检出145种ARGs和9种可移动遗传因子(mobile genetic elements, MGEs),其中抗性机制为外排泵机制的多重耐药基因最优势(占比达68.93%),非水华期FL细菌的ARGs丰度最高。水华期FL和PA细菌中ARGs的丰富度显著低于其在非水华期时的丰富度。FL细菌中ARGs的丰度在水华期明显低于非水华期,但PA细菌中ARGs的丰度在水华期和非水华期之间没有明显变化。与PA细菌相比,蓝藻水华对FL细菌中ARGs丰度的抑制作用较大(图 2)。

图1 水体环境参数。(A)水温,(B)综合营养状态指数,(C)叶绿素a,(D)总碳。白色点表示采样时间和采样点深度,绿色阴影代表水华时期。
图2 不同的生活方式和生态系统状况下细菌中ARGs的丰度、多样性和组成。(A)韦恩图,(B)非度量多维尺度排序图,(C)ARGs绝对丰度,(D)ARGs标准化丰度(即ARGs / 16S rRNA比值),(E)多样性,(F)Shannon-Wiener多样性。FLB,水华期自由生细菌;PAB,水华期颗粒附着生细菌;FLN,非水华期自由生细菌;PAN,非水华期颗粒附着生细菌。

(2)我们还比较了细菌物种组成和ARGs功能组成的相似性,发现抗生素抗性功能组成变化较大,并且除了FL细菌之外,ARGs在水华期和非水华期之间的相似性显著低于细菌物种组成的相似性。与FL细菌相比,蓝藻水华对PA细菌ARGs组成的影响较强(图 3)。因此,细菌的生活方式是ARGs响应蓝藻水华的重要机制之一。

图3 细菌ARGs功能组成(实心圆)和细菌物种组成(空心圆)的成对Bray-Curtis相似性。组内的显著差异(P<0.01)用不同的字母表示,组间差异用星号表示。FLB,水华期自由生细菌;PAB,水华期颗粒附着生细菌;FLN,非水华期自由生细菌;PAN,非水华期颗粒附着生细菌。

(3)通过时间序列回归分析和中性模型分析表明,在水华发生和消退过程中,ARGs的群落构建受到随机性过程的影响,其中FL细菌中的ARGs群落较PA细菌具有更高的随机性水平(图 4)。

图4 细菌ARGs组成的时间序列回归分析和中性模型分析。Nm表示群落大小及时间上的迁移率。R2表示中性模型的符合程度。

(4)MGEs,特别是整合子可被细菌用来储存和表达不同的外源抗性基因,被认为在抗生素抗性传播中起着核心作用。我们使用网络分析研究ARGs和MGEs之间的共现模式,结果表明tnpA-04tnpA-05tnpA-02是与大多数ARGs有着密切联系的关键MGEs(图 5)。

图5 网络分析展示ARGs和MGEs之间的相关性。MGEs包括7个转座子和2个整合子。节点的大小与连线的数量成正比。每个连线表示一个显著相关(P <0.01)。

(5)在这项研究中,我们共鉴定了46个优势的和2,872个稀有的OTUs。对于FL和PA细菌,ARGs和稀有细菌之间的正相关系数(分别为0.73和0.69)均高于ARGs和优势细菌之间的正相关系数的平均值(分别为0.66和0.64),表明与优势细菌类群相比,稀有细菌与ARGs之间具有更强的ARGs-OTUs相关关系(图 6)。

图6 不同生活方式(即自由生和颗粒附着生)细菌中优势和稀有OTUs与ARGs的关系。组间显著性差异(P <0.01)用不同的字母表示。FLA,优势的自由生细菌;FLR,稀有的自由生细菌;PAA,优势的颗粒附着生细菌;PAR,稀有的颗粒附着生细菌。

结论:

本研究首次表明蓝藻水华对细菌ARGs造成了显著影响,ARGs的丰度和组成对蓝藻水华的响应与细菌不同的生活方式有关,而与不同水层(表层、中层和底层)和混合水体关系不明显。蓝藻水华对PA细菌中ARGs组成的影响大于FL细菌,而对FL细菌中ARGs丰度的作用强于PA细菌。水库抗生素抗性功能群落构建过程还受随机过程控制,并且FL细菌的抗生素抗性功能群落表现出比PA细菌更高的随机性水平。本研究为深入理解ARGs在自然水环境中的分布特征提供了基础数据,可为湖泊水库ARGs监测、安全评估、生态管理和风险防控等方面提供参考。水生生态系统是抗生素抗性基因在环境中扩散的关键节点,在未来的研究中我们应该就如何防止或减缓水环境中抗性基因的富集、传播及其对人类健康构成的潜在威胁两方面开展更为系统的研究。

参考文献:

Guo YY, Liu M, Liu LM, Liu X,Chen HH, Yang J*. The antibiotic resistome of free-living andparticle-attached bacteria under a reservoir cyanobacterial bloom [J]. Environmental International: 2018, 117: 107−115.

全文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412018300886

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