堆肥设施中携带增强型抗生素抗性和毒力因子的空气传播病原体宏基因组解析

针对堆肥过程中空气传播抗生素抗性基因(ARGs)和病原菌(HPARB)的生态风险未知问题，研究人员通过宏基因组分析比较堆肥与空气样本的抗生素抗性组和微生物组特征。研究发现空气样本中HPARB携带更多ARGs和毒力因子基因(VFGs)，核心抗性组贡献86.31% ARG丰度，结核分枝杆菌携带6种ARGs和130种VFGs。该研究首次揭示堆肥场所空气AMR风险高于医院环境，为职业暴露评估提供科学依据。

　　

在抗生素滥用和养殖业快速发展的背景下，动物粪便中蕴藏的抗生素耐药性(AMR)已成为全球公共卫生危机。堆肥技术虽能有效降低粪便中的AMR，但其对周边空气传播的抗生素耐药菌(ARB)尤其是人病原性抗生素耐药菌(HPARB)的影响却鲜为人知。更令人担忧的是，堆肥过程中的机械操作可能将耐药病原体释放到空气中，通过大气循环扩散至更远区域，形成"沉默的流行病"。这种职业和环境暴露风险亟需系统性评估，但现有研究多局限于堆肥固体样本的AMR分析，对空气传播AMR的特征和健康风险认知存在巨大空白。

为填补这一空白，中国的研究团队在山东寿光某商业化堆肥厂开展了一项开创性研究。通过采集生产区和储存区的空气与堆肥配对样本，结合宏基因组测序和生物信息学分析，首次揭示了堆肥设施空气中HPARB的完整谱系及其增强的抗生素抗性和毒力特征。相关成果发表于《Environment International》，为AMR的环境传播机制和风险评估提供了全新视角。

研究采用三大关键技术：1) 石英纤维膜24小时连续空气采样结合Power Max Soil DNA试剂盒提取DNA；2) Illumina NovaSeq平台进行宏基因组测序，数据存入国家基因组数据中心(GSA: CRA028360)；3) 综合运用Kraken 2物种分类、deep-ARG抗性基因注释、MetaWRAP宏基因组组装及GTDB数据库分类等生物信息学流程，并采用MetaCompare模型评估AMR风险。

3.1 空气中富集的抗生素抗性基因特征
研究发现堆肥设施中共检测到593种ARGs亚型，空气样本的ARGs多样性显著高于堆肥样本。核心抗性组(110种ARGs)虽仅占18.58%亚型，却贡献86.31%丰度。空气样本中多药耐药基因mexF、四环素耐药基因tetW和万古霉素耐药基因vanS等23种ARGs的富集程度达2.16-13.36倍。特别值得注意的是，空气样本中磷霉素耐药基因的丰度显著升高，这类广谱抗生素在医疗和兽医领域的广泛应用可能加速了相关ARGs的环境选择。

3.2 核心微生物组中病原菌的富集
微生物组分析显示，空气样本的细菌生物量虽低于堆肥，但病原菌富集特征明显。核心微生物组中结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)在空气中的相对丰度高达58.94%，且与堆肥样本相比，空气样本中的棒状杆菌(Corynebacterium xerosis)等病原体携带更多ARGs。网络分析揭示空气微生物群落具有更高的模块化特性，这种紧密互作可能增强其对抗环境压力的能力。

3.3 核心微生物驱动空气AMR
Procrustes分析表明空气样本中核心抗性组与核心微生物组的关联性(m²=0.9481)强于堆肥样本。环境因子分析发现重金属铬(Cr)和汞(Hg)分别显著影响生产区和储存区的ARGs组成，而总氮(TN)和pH值等参数则塑造了微生物群落结构。这些发现说明AMR的空气传播不仅是物理气溶胶化过程，更受到复杂环境选择的调控。

3.4 携带增强型ARGs和VFGs的病原体
从1,118个宏基因组组装基因组(MAGs)中鉴定出90个HPARBs，其中69个来自空气样本。令人震惊的是，空气样本中的结核分枝杆菌携带6种ARGs(包括治疗结核病的利福霉素和链霉素耐药基因)和130种VFGs，其基因组数量是堆肥样本的3倍。这些携带多重耐药基因的病原体通过空气传播，可能对职业健康构成严重威胁。

3.5 堆肥设施的高AMR风险
MetaCompare风险评估显示，堆肥场所空气AMR风险评分(24.94±1.26)显著高于医院环境(22.3±2.2)和城市空气(18.6±1.0)。这种高风险主要源于空气中高比例的病原体携带可移动遗传元件(MGEs)的ARGs。研究首次通过比较实验证明，堆肥过程虽能降低固体废弃物中的AMR，却可能将增强型耐药病原体选择性地释放到空气中。

这项研究通过创新性的"空气-堆肥"比较分析框架，系统揭示了堆肥设施作为AMR扩散热点的潜在风险。其重要意义在于：1) 发现空气传播HPARB携带更多ARGs和VFGs的普遍规律；2) 鉴定出结核分枝杆菌等关键病原体的环境适应性进化特征；3) 建立堆肥场所AMR风险评估的量化标准。研究结果为制定堆肥作业防护标准和AMR环境传播防控策略提供了关键科学依据，也为"同一健康"(One Health)理念下的耐药性治理开辟了新思路。未来研究需结合培养组学和临床分离株验证，并扩大采样范围评估AMR的空间扩散规律。