抗生素胁迫下废水系统中抗性基因与可移动遗传元件的转录组动态解析

为解决抗生素耐药性(ARGs)在废水系统中的传播机制问题，研究人员通过宏转录组时序分析，揭示了β-内酰胺类抗生素(如氨苄青霉素)胁迫下，活性污泥系统中P14171基因(Class A β-lactamase)的关键响应作用及可移动遗传元件(MGEs)的激活规律。研究发现该基因主要存在于红杆菌科(Rhodobacteraceae)宿主中，且外源抗生素显著促进tnpA和sul1等MGEs的转录，为评估环境耐药基因扩散风险提供了新视角。

　　

抗生素耐药性已成为全球公共卫生的重大威胁，每年导致超过70万人死亡。作为连接人类社会与自然环境的枢纽，污水处理厂(WWTPs)的活性污泥系统被认为是抗生素抗性基因(ARGs)传播的"热点区域"。尽管已有研究揭示了活性污泥中ARGs的多样性，但外源抗生素压力下这些基因的动态转录调控机制仍不明确。江苏省疾病预防控制中心健康应急工程研究中心与南京医科大学公共卫生学院的研究团队在《BMC Microbiology》发表的最新研究，首次通过宏转录组时序分析揭示了β-内酰胺类抗生素氨苄青霉素胁迫下，活性污泥系统中关键抗性基因的应答规律及其传播风险。

研究采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)监测氨苄青霉素降解动力学，结合Illumina高通量测序技术对21个时间序列样本进行宏转录组分析。通过整合CARD和ARDB数据库进行ARGs注释，利用Bowtie2比对识别MGEs，并采用k-means聚类分析基因表达模式。样本来自常规市政污水处理厂的活性污泥系统(MLVSS=1490 mg/L)，设置100 mg/L和20 mg/L两个抗生素浓度梯度。

氨苄青霉素降解动力学

实验证实活性污泥可在8.5小时和4小时内完全降解100 mg/L和20 mg/L的氨苄青霉素，符合一级动力学模型(R²>0.98)。吸附与水解实验(Treatment II-III)表明生物降解是唯一去除途径。值得注意的是，较高浓度抗生素延长了半衰期(100 mg/L组1.53-1.59小时 vs 20 mg/L组0.87-0.88小时)，提示浓度依赖性抑制效应。

MGEs转录激活

在20 mg/L浓度组，所有MGEs的转录在1小时显著上调(z score>2)，其中tnpA转座酶占比最高(65.6-73.1%)，其次为intl1(7.0-12.0%)和IS91(3.3-12.5%)。这种低浓度诱导效应与既往研究"抗生素作为信号分子促进HGT"的结论一致，而100 mg/L组未出现类似激活模式。

ARGs表达谱特征

宏基因组分析显示微生物群落结构稳定，但转录组揭示显著动态变化：

1. β-内酰胺抗性基因在20 mg/L组1小时上调69%(6.38±0.28 RPKM)，其中P14171基因(Class A β-lactamase)贡献最大

2. 奎诺酮(0.06→0.32 RPKM)和氯霉素(0.17→0.29 RPKM)抗性基因共上调

3. 未分类ARGs(29.3%)和sul1基因(编码二氢蝶酸合酶)持续高表达

关键ARGs宿主溯源

通过抗性基因携带片段(ARCs)分析发现：

• 75.3%的ARCs属于变形菌门(Proteobacteria)

• 54.0%集中于γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)

• P14171基因962个reads中，99.7%定位于红假单胞菌(Rhodopseudomonas capsulate)的contig_162034

P14171基因的传播风险

全球678个样本的meta分析显示：

• 该基因仅存在于6%样本中，但58.3%(35/60)的污水处理系统样本呈阳性

• 24个共现ARGs中，37.5%(9/24)位于质粒或整合子上

• 与红假单胞菌噬菌体敏感性特征共同提示潜在水平转移风险

该研究首次系统阐明了活性污泥系统响应β-内酰胺抗生素的分子机制：P14171基因是介导氨苄青霉素降解的关键元件，其宿主红假单胞菌在污水处理系统中形成稳定生态位。值得注意的是，亚抑制浓度(20 mg/L)抗生素更易激活tnpA-sul1等MGEs的转录，这为理解环境浓度抗生素促进耐药基因传播提供了实验证据。研究成果对制定污水处理厂耐药基因控制策略具有重要指导价值，特别是针对携带ESBLs(超广谱β-内酰胺酶)病原体的生态防控。未来研究可进一步探索该基因在临床-环境界面的传播路径，以及其宿主菌作为抗生素生物降解剂的工程化应用潜力。