鞠峰科研團隊的此項研究成果于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)獲得了國家自然科學(xué)基金青年項目的資助。
污水處理廠(chǎng)是抗性基因的匯聚地和中轉站
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(lèi)化學(xué)物質(zhì)，在臨床上廣泛用于治療細菌感染性疾病。然而，由于抗生素的廣泛使用甚至濫用（例如：養殖業(yè)），導致部分致病細菌獲得了耐藥性，能夠在抗生素存在的情況下繼續生長(cháng)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”的難題。
目前，全球抗生素耐藥性問(wèn)題已十分嚴重，是全球公共衛生安全面臨的一項嚴峻挑戰，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。細菌的抗生素耐藥性通常由基因編碼，相關(guān)基因稱(chēng)為抗生素抗性基因（ARG，antibiotic resistance gene）。
生活污水、預處理后的醫院污水、抗生素制藥廠(chǎng)廢水等介質(zhì)中的抗性基因最終會(huì )匯集于污水處理廠(chǎng)，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，污水處理廠(chǎng)也因此被視為抗性基因的匯聚地和中轉站。
那么，污水處理廠(chǎng)中抗性基因的攜帶者是誰(shuí)？它們在污水處理過(guò)程中扮演著(zhù)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(chǎng)中攜帶抗性基因的宿主細菌信息
通過(guò)對瑞士的12家污水處理廠(chǎng)微生物組DNA和mRNA測序數據（或稱(chēng)：宏基因組和宏轉錄組）的生物信息學(xué)分析與基因組學(xué)挖掘之后，鞠峰科研團隊共恢復了248個(gè)獨特、高質(zhì)量的基因組草圖，發(fā)現其中有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(lèi)別的抗性基因，可能對多種抗生素具有耐藥性。從抗性基因的類(lèi)別來(lái)說(shuō)，對桿菌肽、氨基糖苷、β-內酰胺類(lèi)抗生素的抗性基因是最普遍的類(lèi)型。
圖3 恢復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菌當中，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，推測主要來(lái)自于污水處理廠(chǎng)服務(wù)地區居民的腸道菌群。這些潛在致病菌是污水處理廠(chǎng)中抗性基因的活躍表達者，它們在污水進(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(lèi)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。
另一類(lèi)活躍的抗性基因宿主細菌是污水處理廠(chǎng)中土著(zhù)的反硝化細菌，反硝化細菌是污水生物除氮工藝的執行者之一，通過(guò)反硝化作用將污水中的硝酸鹽氮轉化為氮氣，達到去除氮營(yíng)養元素，防止受納水體富營(yíng)養化的目的。此研究中發(fā)現有90%以上的反硝化細菌編碼了抗性基因，考慮到污水處理廠(chǎng)中存在多種抗生素帶來(lái)的選擇壓力，反硝化細菌攜帶抗性基因可能有助于它們在污水抗生素的選擇壓力下更好地生存。
圖4 潛在致病菌和土著(zhù)反硝化菌是污水處理廠(chǎng)中抗性基因的活躍表達者
目前，城鎮污水處理廠(chǎng)設計主要針對生活污水中的有機污染物和營(yíng)養元素等傳統污染物進(jìn)行去除，并沒(méi)有針對抗生素和抗生素抗性基因的經(jīng)濟可行的處理措施。我們生活污水中殘留的抗生素、抗性基因和抗性細菌會(huì )隨著(zhù)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。
鞠峰科研團隊的此項研究詳細調查了污水處理廠(chǎng)中抗性基因宿主細菌的身份、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(zhù)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。因此應對已處理的出水謹慎處置以免帶來(lái)安全風(fēng)險。
同時(shí)，此研究首次建立了基于基因組解析的絕對定量宏轉錄組的分析方法。該方法解決了此前廣泛使用的僅基于重疊群對抗生素抗性基因進(jìn)行研究所存在的準確識別宿主分類(lèi)較為困難的問(wèn)題，并結合絕對定量技術(shù)，定量檢測了污水處理廠(chǎng)中抗性基因及其宿主在污水原位環(huán)境中的活性，而非僅停留在常規相對定量或DNA分析的水平，拓展了對于污水耐藥組關(guān)鍵特征的認知。這項工作對未來(lái)城鎮污水廠(chǎng)工程微生物組與抗生素耐藥組的監控以及定量宏組學(xué)數據的標準化分析與深度挖掘具有指導意義。
實(shí)驗室介紹
西湖大學(xué)環(huán)境微生物組與生物技術(shù)實(shí)驗室（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象，以群落結構功能解析、構建理論、功能調控為研究主線(xiàn)，發(fā)展微生物群落的定量宏基因組、定量宏轉錄組學(xué)、網(wǎng)絡(luò )分析等方法，解密群落功能的構建原理，建立功能設計與調控方法，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)境修復與資源化工程研究提供新技術(shù)和新視角。
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EMBLab負責人簡(jiǎn)介
鞠峰，西湖大學(xué)研究員、博士生導師，環(huán)境微生物組與生物技術(shù)實(shí)驗室（EMBLab）負責人，浙江省海岸帶環(huán)境與資源研究重點(diǎn)實(shí)驗室副主任，中國工程院院刊《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，曾擔任加拿大自然科學(xué)與工程理事會(huì )（NSERC）國際評審專(zhuān)家，國際微生物生態(tài)學(xué)會(huì ) (ISME) 、國際水協(xié)會(huì ) (IWA)、中國環(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，曾獲中國生態(tài)學(xué)會(huì )“水云天微生物生態(tài)青年科技創(chuàng )新獎-特等獎”（2018）、香港科學(xué)會(huì )“青年科學(xué)家獎”（2016）、香港大學(xué)“杰出研究型研究生獎”（2015）。目前參編“環(huán)境生物技術(shù)”主題英文專(zhuān)著(zhù)章節2篇和“微生物組”主題中文專(zhuān)著(zhù)章節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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