细菌、病毒和环境的相互作用影响了中国厌氧-缺氧-好氧废水处理系统中抗生素抗性基因的演变

《Water Research》：Bacterial, viral and environmental interactions shape antibiotic resistance genes in China's anaerobic-anoxic-oxic wastewater treatment systems

抗生素耐药基因（ARGs）的空间分布及调控机制研究：基于28个中国A2O污水处理厂的宏基因组与16S rRNA测序分析，揭示了ARGs丰度与区域差异（PERMANOVA, R2=0.153, p=0.043）、细菌-病毒互作（变形菌门、放线菌门为关键宿主，肌尾噬菌体科主导病毒载体）及环境因子（Co、Zn、Cd正相关，As负相关；氧化还原电位显著影响）的复杂关联，提出病毒介导的基因传递对耐药污染的调控作用，为“一健康”战略下的污水处理优化提供理论依据。

　　抗生素耐药基因（ARGs）的传播对全球公共卫生构成了严重威胁。城市污水处理厂（WWTPs）作为ARGs的重要储存库和传播中心，其内部复杂的细菌-病毒相互作用和环境因素共同驱动了ARGs的扩散。本研究通过对中国28座采用A2O工艺的城市污水处理厂的活性污泥进行宏基因组学和16S rRNA基因测序分析，揭示了ARGs的全国分布特征及其与细菌-噬菌体系统和环境因素之间的关系。研究结果表明，氟喹诺酮类抗生素耐药基因（如adeF）和磺胺类抗生素耐药基因（如sul1、sul2）在ARGs的丰度中占据主导地位，其平均占比分别为41.7%和11.51%。同时，ARGs的分布表现出显著的区域性差异（PERMANOVA，R2=0.153，p=0.043），说明不同地区的ARGs丰度、多样性及其传播路径存在明显不同。

细菌和病毒在ARGs的传播过程中起到了重要作用。研究发现，某些细菌类群，如变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria），可能是ARGs的主要潜在载体。此外，噬菌体中的Myoviridae科被预测为ARGs的主要宿主，而Siphoviridae科和Demerecviridae科则更倾向于与特定类型的ARGs相关联。这种噬菌体-细菌相互作用的模式，不仅影响ARGs的传播效率，还可能通过调节基因转移的效率间接影响ARGs的扩散潜力。因此，理解这些生物因子在ARGs传播中的作用，对于制定有效的抗耐药污染控制策略具有重要意义。

在环境因素方面，研究发现某些离子，如钴（Co）、锌（Zn）和镉（Cd），与特定类型的ARGs存在正相关，而砷（As）则与大多数ARGs的丰度呈负相关。这种离子与ARGs之间的关系可能是由于它们共同参与了某些选择压力，进而促进了ARGs的富集。此外，氧化还原电位（ORP）与ARGs的丰度之间也存在显著的关联，表明水处理系统中的化学环境可能在ARGs的传播过程中发挥关键作用。这些环境因素与微生物群落的结构和功能网络之间可能存在复杂的相互作用，进一步影响ARGs的传播和扩散。

本研究通过整合多维数据，包括16S rRNA基因测序、宏基因组学分析和环境因子检测，构建了一个涵盖病毒-细菌-环境因素的多维交互框架。这一框架不仅有助于解析ARGs在不同地理位置的分布规律，还能够揭示其在水处理系统中的传播机制。研究还特别关注了A2O工艺污水处理厂的ARGs分布特征，这种工艺因其在城市污水处理中的广泛应用，成为理解ARGs传播的重要窗口。

通过系统分析，本研究发现ARGs的分布呈现出显著的空间异质性，这可能与不同地区的抗生素使用强度、气候条件以及工艺运行参数密切相关。例如，南方地区的ARGs丰度普遍高于北方地区，这可能与抗生素的使用频率和环境条件的变化有关。此外，研究还发现，不同工艺单元（如厌氧池、缺氧池和好氧池）对ARGs的分布产生了不同的影响，这种影响可能与各单元中微生物群落的结构和功能变化有关。

在微生物群落的结构和功能网络方面，研究发现细菌多样性与ARGs的丰度之间存在高度相关性。这种多样性不仅影响ARGs的宿主适应性，还可能通过调节微生物之间的相互作用，间接影响ARGs的传播。此外，移动遗传元件（MGEs）如质粒、转座子和噬菌体，在ARGs的水平基因转移（HGT）过程中起到了关键作用。传统的“细菌中心”视角往往忽视了噬菌体在ARGs传播中的潜在作用，而本研究通过分析噬菌体-细菌相互作用网络的拓扑特征，揭示了其在ARGs扩散中的间接影响。

本研究的结论表明，ARGs的传播是一个多因素驱动的复杂过程，涉及细菌-噬菌体系统和环境因素的协同作用。通过深入分析这些因素之间的相互关系，可以更全面地理解ARGs在污水处理系统中的扩散机制。这些发现不仅为优化污水处理过程中的抗耐药污染控制策略提供了理论依据，也为制定区域性抗生素耐药污染治理政策提供了科学参考。在全球“健康一体化”（One Health）战略的背景下，减少ARGs的传播对于保护公共卫生和生态环境具有重要意义。

此外，本研究还强调了在污水处理过程中，微生物群落的动态变化对ARGs传播的影响。不同处理阶段的微生物群落结构可能不同，这可能导致ARGs在不同工艺单元中的分布差异。例如，厌氧池中的微生物可能更倾向于携带某些类型的ARGs，而好氧池中的微生物可能更适应于其他类型的ARGs。这种差异可能与各处理阶段的氧化还原条件、营养物质供应以及微生物之间的相互作用有关。

在实际应用层面，研究结果表明，通过调控环境因素和微生物群落结构，可以有效控制ARGs的传播。例如，降低某些金属离子的浓度，如钴、锌和镉，可能有助于减少ARGs的富集。同时，优化氧化还原电位的管理，可能有助于降低ARGs的扩散风险。此外，通过识别潜在的核心ARG宿主，可以更精准地设计针对特定ARGs的控制措施，从而提高抗耐药污染治理的效率。

在政策制定方面，本研究的发现为区域性抗生素耐药污染治理提供了重要依据。由于ARGs的传播受到多种因素的影响，包括地理位置、抗生素使用强度、环境条件和微生物群落结构，因此需要制定因地制宜的治理策略。例如，在抗生素使用强度较高的地区，可能需要加强污水处理过程中的ARGs监测和控制，而在环境条件较为稳定的地区，可以更侧重于优化微生物群落结构以减少ARGs的扩散。

从科学角度来看，本研究填补了关于病毒在ARGs水平基因转移中作用的认知空白。通过分析噬菌体-细菌相互作用网络的结构特征，研究揭示了病毒在ARGs传播中的潜在贡献。这一发现对于未来的抗耐药污染研究具有重要的启示意义，表明在关注细菌群体的同时，也需要重视病毒群体在ARGs扩散中的作用。

在技术层面，本研究采用的宏基因组学和16S rRNA基因测序方法，为解析ARGs的分布和传播提供了高精度的数据支持。这些技术能够全面反映微生物群落的组成和功能，从而更准确地评估ARGs的传播路径和影响因素。此外，通过整合环境因子检测数据，研究能够更系统地分析ARGs与环境因素之间的相互作用，为制定综合性的治理策略提供了科学依据。

在全球范围内，抗生素耐药污染已成为一个亟待解决的公共卫生问题。本研究不仅揭示了ARGs在中国A2O工艺污水处理厂中的分布特征，还提供了关于ARGs传播机制的深入见解。这些发现有助于推动全球范围内对抗生素耐药污染的综合治理，促进“健康一体化”战略的实施。通过理解ARGs的传播路径和影响因素，可以更有效地制定预防和控制措施，减少抗生素耐药性的扩散风险，保护人类健康和生态环境。

综上所述，本研究通过多维度的数据分析，揭示了ARGs在污水处理系统中的复杂传播机制。这些发现不仅有助于优化污水处理工艺，还为制定区域性抗耐药污染政策提供了科学支持。未来的研究可以进一步探索ARGs传播的动态过程，以及不同环境因素和微生物群落结构对ARGs扩散的具体影响。通过持续的研究和技术创新，有望在更广泛的范围内实现抗生素耐药污染的有效控制，为全球公共卫生和生态环境保护作出贡献。