城镇与工业污水处理厂中I型整合子介导的抗生素抗性基因谱差异研究及其环境意义

本研究针对污水处理厂(WWTPs)中I型整合子(Class 1 integrons)介导的抗生素抗性基因(ARGs)传播机制不明的问题，创新性结合巢式高通量qPCR和PacBio测序技术，首次系统比较了工业与城镇WWTPs中整合子相关ARGs的丰度、多样性及基因盒阵列特征。研究发现工业WWTPs虽具有更高整合子绝对丰度，但其ARGs相对含量(1.27×107–9.59×107 copies/ng)显著低于城镇WWTPs(3.72×107–1.98×108 copies/ng)，且整合更多非ARGs外源基因，为环境耐药性传播机制提供了新见解。

　　

抗生素的广泛应用导致环境中抗生素抗性基因(ARGs)的传播日益严重，成为全球公共卫生的重大威胁。污水处理厂(WWTPs)作为ARGs的"热点"区域，其微生物群落通过I型整合子(Class 1 integrons)介导的水平基因转移(HGT)加速耐药性传播。然而，工业与城镇WWTPs中整合子相关ARGs的差异特征及其驱动机制尚不明确，现有研究方法(如qPCR和Illumina测序)难以全面解析复杂的基因盒阵列。

针对这一科学难题，中国科学院生态环境研究中心的研究团队在《Environmental Science and Ecotechnology》发表创新性研究。该工作首次建立巢式高通量qPCR联合PacBio长读长测序的技术体系，系统比较了5个工业与4个城镇WWTPs活性污泥中I型整合子的ARGs特征。研究发现工业WWTPs虽具有更高intI1基因丰度(2.33×10⁷–1.66×10⁹ copies/g)，但其整合子携带ARGs的相对丰度显著低于城镇WWTPs。通过分析132,084个编码序列(CDSs)，揭示工业设施中ARGs占比(12.7%-85.7%)低于城镇设施(67.8%-87.7%)，且其基因盒阵列多样性更低，但整合了更多参与胁迫响应、转运等功能的非ARGs序列。

研究采用的主要技术包括：(1)从9个WWTPs活性污泥提取DNA并扩增I型整合子基因盒区域；(2)巢式HT-qPCR定量分析215种ARGs亚型；(3)PacBio测序解析约1,000 bp整合子片段的基因盒排列；(4)生物信息学分析CDSs功能及ARGs风险等级。

在"IntI1丰度与整合子电泳分析"部分，qPCR证实工业WWTPs的intI1绝对与相对丰度均显著更高(P<0.05)，但电泳显示其整合子条带亮度与ARGs丰度呈反向关系。"整合子相关ARGs类型与相对丰度"章节通过HT-qPCR检测到48-64种ARGs亚型，发现城镇WWTPs中氨基糖苷类ARGs(占总量48.2%-96.3%)和β-内酰胺酶基因丰度更高，且PCA分析显示其ARGs组成更相似。"整合子基因盒阵列分析"通过PacBio测序揭示城镇WWTPs存在更多多重耐药阵列(如|aadA/aadA|)，而工业样本中非ARGs CDSs占比更高，包括参与DNA修复、转运等功能的基因。

该研究创新性提出工业WWTPs中I型整合子通过整合多样化外源基因帮助微生物适应复杂环境压力的新机制。虽然整合子相关ARGs仅占污泥总ARGs的10^-4–10^-3，但其介导的多重耐药阵列(如|aac(6')/aadA|)与临床菌株相似，凸显环境与临床耐药基因库的潜在交流。论文建立的巢式qPCR-PacBio联合策略为环境整合子研究提供了新范式，研究成果对制定差异化WWTPs耐药性控制策略具有重要指导价值。