兰州市黄河水和饮用水中抗生素抗性基因的季节分布以及与人体肠道抗生素抗性基因的比较

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目的:抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)是对抗生素产生抗性的遗传基因片段。如果这些抗性基因转移到致病菌上可能会使其变成“超级细菌”,进而使临床抗生素类药物失效,对公众健康造成潜在隐患。ARGs作为一种新型的环境污染物在水环境中分布很广泛,然而,不同水环境中的ARGs分布情况不同,现如今水环境和人肠道中ARGs相互比较的研究很少。因此本研究探索了兰州市黄河水和饮用水中ARGs的季节分布以及比较了它们与人体肠道中ARGs的差别。方法:本研究使用16S r RNA高通量测序以及高通量定量PCR技术来探索黄河水和饮用水中的ARGs和机会致病菌的季节分布,同时比较了水环境和健康人肠道中ARGs和机会致病菌的丰度以及组成,另外采用水体理化分析方法检测了水质理化指标和重金属浓度。结果:(1)无论哪个季节,黄河水中的ARGs的数量都比饮用水中的高。冬季黄河水中的ARGs的数量比其它季节都要高。而对于饮用水而言,冬季ARGs数量最低。四环素类抗生素抗性基因在大部分样本中的检出数量是最高的。冬季黄河水中ARGs的绝对丰度最高(1.80×10~8 copies/L),而饮用水中的ARGs丰度最低(9.61×10~2 copies/L)。(2)MRM分析结果显示,移动遗传元件(Mobile genetic elements,MGEs)是对黄河水ARGs群落影响最大的因素(R~2=0.336,P=0.001),其次是微生物(R~2=0.200,P=0.001)。MGEs也是对饮用水ARGs群落影响最大的因素(R~2=0.240,P=0.001),其次是季节(R~2=0.213,P=0.001)和环境因子(R~2=0.035,P=0.022)。(3)基于零模型我们计算了ARGs群落构建过程中确定性过程和随机性过程的相对百分比。随机性过程在每个季节黄河水ARGs群落构建过程中贡献都比较大(>70%)。确定性过程在饮用水ARGs群落构建过程中贡献相对较大。每个季节黄河水ARGs群落构建随机性都高于饮用水。(4)碳相关的因子(总碳(Total carbon,TC),总有机碳(Total organic carbon,TOC),总无机碳(Total inorganic carbon,TIC))相比其它环境因子与ARGs有更多的正相关关系。重金属As也和大部分ARGs有显著正关联。机会致病菌Aeromonas和Pseudomonas与一些抗性基因有显著正相关关系,说明这些致病菌有可能是某些ARGs的潜在宿主。(5)在黄河水,饮用水,人肠道粪便中共同存在的ARGs有48个亚类,占比达到了80%。这48个ARGs属于抗四环素,β-内酰胺,大环内酯林可霉素-链霉素B(MLSB),多药,万古霉素,磺胺,氨基糖苷,氯霉素和其它类抗生素抗性基因,其中四环素类抗生素抗性基因是数量最多的类别。这些在水和人肠道中共同存在的ARGs的丰度在人肠道中丰度最高,其次是黄河水,饮用水中的丰度最低。结论:(1)黄河水和饮用水中ARGs的绝对丰度和数量有不同的季节变化规律。冬季黄河水中ARGs丰度和数量最高,而饮用水最低。(2)MGEs是黄河水和饮用水中ARGs图谱最主要的驱动因子。(3)随机性过程在ARGs群落生态构建过程中发挥着主要的作用,在黄河水中随机性过程贡献更高。(4)水质指标TOC和重金属As和很多ARGs显著正相关。(5)可能携带ARGs的机会致病菌需要我们格外关注。例如:机会致病菌Aeromonas和Pseudomonas可能是某些ARGs的潜在宿主。(6)环境水样和人肠道样本中有80%的ARGs相同。饮用水中的ARGs的丰度最低,人肠道中的ARGs丰度最高。饮用水处理系统虽然可以降低水源中的某些ARGs丰度,但是并不能完全去除它们,这些基因最终在人类肠道中富集,对人类健康造成很大的隐患。本研究首次探索了黄河上游ARGs和机会性致病菌的季节分布,影响因素以及生态构建机制,同时也是首次将水环境和人肠道中的ARGs和机会性致病菌进行比较,探索了ARGs从水环境到人的可能的传播种类。总之,保护水源免受人为污染,同时改进饮用水处理措施非常重要,它们可以减少水中ARGs的传播,也有助于确保饮用水安全以及保护公众健康。
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