生物电化学方法缓解土壤抗生素抗性：阻断噬菌体传播及耐药宿主之间的传播

《Journal of Environmental Sciences》：Bioelectrochemical mitigation of soil antibiotic resistance: Disruption of bacteriophage transmission and resistant hosts

微生物燃料电池通过调控微生物群落协同抗性机制，显著降低四环素污染土壤中抗生素抗性基因丰度及多样性，其作用机制涉及增强吲哚合成、抑制可移动遗传元件和噬菌体水平转移。

　　抗生素耐药基因（ARGs）在环境中的扩散已成为全球公共卫生面临的重大挑战。随着农业、医疗和工业活动的增加，ARGs的传播速度加快，使得耐药性细菌的出现成为普遍现象。这些耐药性细菌不仅威胁人类健康，还可能对生态系统造成深远影响。尽管已有研究探索了多种方法来减少ARGs的扩散，但其具体机制仍不明确。微生物燃料电池（MFCs）作为一种新兴的生物技术，被证明在一定程度上能够抑制ARGs的扩散，但其作用机制尚需深入研究。

本研究通过宏基因组测序与DeepARG-LS模型相结合，对四环素污染土壤中的ARGs进行了系统分析，并进一步探讨了MFCs对这些基因的影响。实验结果显示，添加四环素（AT处理）显著增加了ARGs的总体丰度，提高了31%。而应用MFCs（MT处理）则使ARGs的丰度减少了12%。此外，深度学习模型还揭示了MT处理下ARGs亚型的多样性比AT处理降低了38%。这表明，MFCs不仅能够减少ARGs的数量，还能降低其在生态系统中的分布范围。

在微生物群落中，ARGs的宿主主要包括变形菌门（Proteobacteria），其在AT处理中占ARGs总数的78%。而在MT处理中，变形菌门的ARGs丰度下降了18%。这一变化可能与MFCs对微生物群落结构的调控有关。值得注意的是，研究还发现，硝化螺菌科（Nitrososphaeraceae）在MT处理中被鉴定为携带tetA(48)基因的宿主。这一发现进一步说明了MFCs对特定ARGs宿主的抑制作用，特别是在影响某些关键耐药基因的传播方面。

在物种层面，研究识别出12种携带ARGs的细菌类群，其中大多数的丰度在MT处理中被显著抑制。这表明，MFCs能够有效减少这些耐药性细菌的数量，从而降低ARGs在土壤中的传播风险。同时，研究还发现，色氨酸酶基因（EC 4.1.99.1）的丰度在MT处理中表现出与ARGs宿主多样性一致的变化趋势。这可能意味着，MFCs通过增强色氨酸酶的活性，进而促进吲哚的合成，从而对ARGs宿主产生抑制作用。

从机制上看，MFCs对ARGs宿主的抑制可能涉及多个方面。首先，MFCs通过促进微生物群落的协同防御机制，减少了ARGs的传播。这种协同防御机制包括微生物通过形成生物膜或分泌特定的小分子信号物质（如吲哚及其衍生物）来增强对抗生素的抵抗力。其次，MFCs能够降低移动遗传元件（MGEs）的丰度，从而减少ARGs的水平基因转移。此外，MFCs还可能通过减少噬菌体介导的ARGs传播，进一步限制ARGs在环境中的扩散。研究发现，噬菌体介导的ARGs传播在MT治疗中减少了19%。

在实验设计方面，本研究构建了一种单室空气阴极土壤MFC，并通过系统的实验方法对ARGs的分布和变化进行了分析。实验中使用了来自山西省太原市阳曲县农田的土壤，土壤类型为钙质红壤，pH值为8.55，电导率为126 μS/cm，可利用氮和磷的含量分别为64.17 mg/kg和4.4.09 mg/kg。土壤经过空气干燥和2 mm筛分后，分为三个处理组：（1）厌氧对照组（AN处理），包含1500 g土壤和600 mL去离子水；（2）四环素添加组（AT处理）；（3）MFC应用组（MT处理）。通过这些处理，研究人员能够更清晰地观察MFCs对ARGs的影响。

研究还发现，MFCs能够显著减少移动遗传元件（MGEs）和毒力因子（VFGs）的丰度，其减少幅度分别达到84%和11%。同时，MFCs还降低了这些基因与ARGs在同一contig上的共现概率，从而进一步限制了水平基因转移的可能性。这一发现表明，MFCs不仅能够直接减少ARGs的数量，还能通过间接手段，如抑制MGEs和VFGs的传播，来降低ARGs在环境中的扩散风险。

在ARGs的分类方面，基于CARD数据库，宏基因组测序数据中总共获得了703种ARG亚型，这些亚型被归类为20种抗生素类别（见附录A图S1a）。其中，多药耐药基因（multidrug resistance genes）的丰度最高，其次是大环内酯-林可酰胺-链阳霉素（MLS）和四环素类基因。在AT处理中，这些基因的丰度分别增加了38%、27%和20%。而在MT处理中，它们的丰度分别减少了12%、10%和14%。这一结果进一步说明了MFCs对ARGs的抑制作用不仅限于四环素类基因，还涉及多种抗生素耐药基因。

此外，研究还发现，MFCs能够显著减少携带ARGs的噬菌体数量，其减少幅度达到53%至99%。这一发现为理解MFCs在减少ARGs传播中的作用提供了新的视角。通过减少噬菌体的数量，MFCs能够有效降低ARGs的水平基因转移概率，从而减少ARGs在环境中的扩散。同时，MFCs还可能通过影响微生物群落的结构和功能，间接减少ARGs的传播。例如，MFCs能够促进微生物群落的协同防御机制，使得某些微生物能够通过分泌特定的酶或信号物质来抑制ARGs的传播。

在实验过程中，研究人员还观察到，MFCs对微生物群落的结构和功能产生了显著影响。这不仅体现在ARGs的丰度和多样性上，还体现在微生物群落的组成和功能上。例如，MFCs能够减少某些耐药性细菌的数量，同时促进其他非耐药性细菌的生长。这种变化可能与MFCs对微生物群落的生态调控有关。通过改变土壤中的电子传递环境，MFCs能够影响微生物的代谢活动，从而降低ARGs的传播。

总的来说，本研究通过宏基因组测序和深度学习模型的结合，揭示了MFCs在减少ARGs传播中的作用机制。研究发现，MFCs不仅能够直接减少ARGs的丰度，还能通过多种间接手段，如抑制MGEs和VFGs的传播、减少噬菌体介导的ARGs传播、促进微生物群落的协同防御机制等，来降低ARGs在环境中的扩散风险。这些发现为未来利用MFCs控制环境中的抗生素耐药性提供了理论支持和实践指导。

在实际应用中，MFCs可能成为一种有效的生物技术手段，用于减少土壤中的ARGs污染。通过构建和优化MFCs，可以进一步提高其对ARGs的去除效率，从而降低抗生素耐药性对生态环境和人类健康的威胁。此外，研究还强调了进一步探索MFCs对微生物群落结构和功能的影响的重要性。这不仅有助于理解MFCs的作用机制，还能为未来开发更高效的生物技术手段提供依据。

从生态学的角度来看，MFCs能够改变土壤中的微生物群落结构，使其更有利于非耐药性微生物的生长。这种变化可能通过多种途径实现，包括改变土壤中的电子传递环境、促进微生物之间的协同作用、减少某些耐药性细菌的生长等。通过这些机制，MFCs能够有效减少ARGs的传播，从而提高土壤的生态安全性和生物多样性。

此外，研究还发现，MFCs对微生物群落的生态功能产生了显著影响。例如，MFCs能够促进微生物之间的协作，使得某些微生物能够通过分泌特定的酶或信号物质来抑制ARGs的传播。这种协作可能在不同环境条件下发挥不同的作用，从而影响ARGs的传播路径和速率。因此，进一步研究MFCs对微生物群落生态功能的影响，将有助于更全面地理解其在减少ARGs传播中的作用。

在研究方法上，本研究采用了宏基因组测序和深度学习模型相结合的方式，对ARGs的分布和变化进行了系统分析。这种方法不仅能够提高ARGs识别的准确性，还能通过深度学习模型的分析，揭示ARGs的传播模式和机制。此外，研究还结合了病毒宏基因组学（viromics）技术，对病毒群落的响应进行了分析，进一步探讨了MFCs对ARGs、噬菌体及其宿主之间关系的影响。

在实验设计方面，研究人员通过系统的实验方法，对不同处理组的ARGs丰度和多样性进行了比较分析。通过这种方式，能够更清晰地观察MFCs对ARGs的影响，并为后续研究提供依据。此外，实验还发现，MFCs对微生物群落的结构和功能产生了显著影响，这可能与土壤中的电子传递环境和微生物之间的相互作用有关。

在实际应用中，MFCs可能成为一种有效的工具，用于减少环境中的ARGs污染。通过优化MFCs的设计和运行条件，可以进一步提高其对ARGs的去除效率，从而降低抗生素耐药性对生态环境和人类健康的威胁。此外，研究还强调了进一步探索MFCs对微生物群落结构和功能的影响的重要性。这不仅有助于理解MFCs的作用机制，还能为未来开发更高效的生物技术手段提供依据。

本研究的结果表明，MFCs在减少ARGs传播方面具有显著效果。通过减少ARGs的数量和多样性，MFCs能够有效降低抗生素耐药性在环境中的扩散。此外，MFCs还能够通过改变微生物群落的结构和功能，促进协同防御机制的形成，从而进一步减少ARGs的传播。这些发现为未来利用MFCs控制环境中的抗生素耐药性提供了理论支持和实践指导。

在生态修复领域，MFCs可能成为一种重要的技术手段。通过促进电子传递，MFCs能够提高土壤的生物修复效率，从而减少污染物的积累。此外，MFCs还能够通过改变微生物群落的结构和功能，促进微生物之间的协作，使得某些微生物能够通过分泌特定的酶或信号物质来抑制ARGs的传播。这种协作可能在不同环境条件下发挥不同的作用，从而影响ARGs的传播路径和速率。

综上所述，本研究通过宏基因组测序和深度学习模型的结合，揭示了MFCs在减少ARGs传播中的作用机制。研究发现，MFCs不仅能够直接减少ARGs的数量，还能通过多种间接手段，如抑制MGEs和VFGs的传播、减少噬菌体介导的ARGs传播、促进微生物群落的协同防御机制等，来降低ARGs在环境中的扩散风险。这些发现为未来利用MFCs控制环境中的抗生素耐药性提供了理论支持和实践指导。