英国活性污泥工艺中的生物膜与废水动态：利用16S rRNA测序技术揭示微生物组组成、代谢活动及抗菌耐药性

《Total Environment Microbiology》：Biofilm and Wastewater Dynamics in an activated-sludge process in the UK: Insights into Microbiome Composition, Metabolic Activity, and Antimicrobial Resistance Using 16S rRNA Sequencing

污水处理厂中生物膜与污水细菌微生态的耐药基因研究 摘要：该研究通过16S rRNA测序分析苏格兰某污水处理厂不同处理阶段的细菌组成及代谢途径，发现氧化沟阶段生物膜中Cyanobacteriota和Zoogloea丰度显著增加，这些菌种具有高效水平基因转移能力，可能成为耐药基因（ARG）的潜在储库。尽管整体细菌数量减少，但effluent中β-内酰胺酶活性显著升高，提示生物膜可能促进耐药基因富集。分隔符：

　　### 抗微生物耐药性在污水处理厂中的研究

在全球范围内，抗微生物耐药性（AMR）已经成为一个严重的公共卫生挑战。随着抗生素的广泛使用和滥用，环境、动物以及人类中耐药基因的传播问题日益突出。本研究探讨了苏格兰一家污水处理厂中，污水和生物膜微生物群落中的抗微生物耐药基因（ARGs）及其与抗微生物耐药性相关的菌群组成。通过16S rRNA测序，研究者分析了污水处理过程中的各个阶段，包括进水、初级沉淀池、最终沉淀池和出水口，以揭示微生物群落的组成变化及其与抗微生物耐药性的潜在联系。

### 污水处理过程中的微生物群落变化

污水处理厂的设计和运行过程对于微生物群落的组成和功能具有重要影响。在本研究中，污水处理厂的运行超出了其监管参数，显著降低了进水中的细菌数量，并在出水中排放了更少的细菌。这种变化表明，污水处理过程中微生物的动态调整对耐药基因的传播可能具有关键作用。研究发现，在污水处理的后期阶段，尤其是氧化沟之后，污水和生物膜中的细菌群落发生了显著的变化，这说明该过程通过生物膜的存在，可能在塑造污水处理厂的抗微生物耐药性（resistome）方面发挥了积极作用。

### 生物膜中的耐药基因

生物膜是污水处理厂中一个重要的微生物生态系统，由细菌、真菌、古菌、原生动物和酵母等多种微生物组成。生物膜通过自生成的胞外聚合物基质附着在污水处理厂的渠道、池体和管道表面。研究表明，生物膜中含有一种高丰度的细菌属——Zoogloea，该属已被证实具有水平基因转移（HGT）的能力，能够传递抗微生物耐药基因。此外，蓝藻（Cyanobacteriota）在生物膜中也表现出高丰度，而蓝藻在环境中已知能够高效地交换和保存抗微生物耐药基因。这些特性使得生物膜成为抗微生物耐药性在周围生态系统中传播的潜在储存库。

### 抗微生物耐药基因的传播与环境影响

研究还预测，在出水口的相对含量中，β-内酰胺酶的水平比进水口更高，这表明抗微生物耐药性可能在污水处理过程中被增强。尽管这一结论需要进一步实验验证，但这一发现提示我们，污水处理厂中的生物膜可能充当了抗微生物耐药性的储存和传播媒介。因此，进一步研究自然发生的生物膜在污水处理系统中的作用，对于评估其对环境和公共健康的风险至关重要。

### 抗微生物耐药性与污水处理的相互作用

污水处理厂中的生物膜和污水中的微生物群落之间的相互作用可能促进了抗微生物耐药性的发展。在生物膜中，微生物可以利用群落感应和信号传递机制，提高其对抗生素的耐受能力。同时，生物膜中的微生物也更容易进行水平基因转移，从而加速抗微生物耐药基因的传播。此外，生物膜中的高细菌密度和波动的营养水平，加上可移动的遗传元素，如整合子、质粒和转座子，为抗微生物耐药基因的转移提供了有利条件。

### 污水处理过程中的代谢途径预测

为了全面理解污水处理过程中微生物群落的变化及其对抗微生物耐药性的潜在影响，研究者利用了PICRUSt2工具来预测不同微生物群落的代谢途径和酶活性。该工具基于16S rRNA测序数据，能够预测微生物群落的潜在功能，如代谢能力、酶活性和抗微生物耐药性相关途径。研究发现，某些代谢途径在出水口的相对丰度高于进水口，这表明在污水处理过程中，某些抗微生物耐药性相关的代谢活动可能被增强。例如，叶绿素合成途径在生物膜和污水的后期阶段显著增加，这与蓝藻在这些阶段的高丰度相关，而蓝藻通过光合作用作为替代能源，有助于维持抗微生物耐药基因的长期存在。

### 抗微生物耐药性相关酶的预测

研究还发现，一些与抗微生物耐药性相关的酶在出水口的相对丰度高于进水口。例如，β-内酰胺酶的活性在出水口显著增加，这可能与该酶对多种抗生素（如青霉素、头孢菌素、碳青霉烯和单酰胺类抗生素）的耐药性有关。此外，研究还预测了其他多种与抗微生物耐药性相关的酶，如甲基转移酶、裂解酶、单氧酶和磷酸转移酶等。这些酶的相对丰度在出水口和生物膜中均有所增加，进一步支持了抗微生物耐药性在污水处理过程中被增强的可能性。

### 研究的意义与未来方向

本研究不仅揭示了污水处理厂中微生物群落的变化，还强调了生物膜在抗微生物耐药性传播中的重要作用。研究结果表明，污水处理厂的设计和运行可能无意中促进了抗微生物耐药性的扩散。因此，进一步研究自然发生的生物膜及其在污水处理系统中的作用，对于评估其对环境和公共健康的风险具有重要意义。此外，针对污水处理厂中抗微生物耐药基因的监测和管理，可能成为减少抗微生物耐药性传播的关键措施。

### 结论

本研究为理解污水处理厂中微生物群落与抗微生物耐药性的关系提供了新的视角。通过分析污水处理过程中的不同阶段，研究者发现，氧化沟是微生物群落组成变化的主要区域，这可能对抗微生物耐药性的传播产生重要影响。此外，生物膜中的高丰度菌群，如Zoogloea和蓝藻，可能成为抗微生物耐药基因的潜在储存库。这些发现强调了在污水处理厂中进行抗微生物耐药性监测和管理的重要性，以减少其对环境和公共健康的潜在风险。未来的研究应进一步探索生物膜在污水处理系统中的作用，以及如何通过优化污水处理工艺来减少抗微生物耐药性的传播。