医院与制药工业废水中微生物组与次级代谢产物生物合成基因簇的宏基因组学解析及其生物技术潜力

本研究针对医院和制药工业废水中抗生素耐药性基因和微生物群落失衡问题，通过宏基因组测序技术首次系统分析了埃塞俄比亚相关环境样本。研究人员采用Illumina HiSeq1500平台对废水中微生物组进行测序，发现Pseudomonadota为优势菌门，鉴定出大量ABC转运蛋白和次级代谢产物BGCs（如terpenes和NRPS），为新型抗生素开发和生物修复提供了重要资源。

　　

抗生素耐药性危机正以惊人的速度席卷全球，世界卫生组织警告：到205年，无法治愈的感染导致的死亡率可能增长十倍。在这场人类与微生物的军备竞赛中，传统土壤微生物资源库已难以满足新型抗生素开发需求。与此同时，医院和制药企业排放的废水中富含抗生素等活性化合物，这种特殊环境可能孕育着具有独特代谢能力的微生物群落，成为新型抗生素开发的"新大陆"。

埃塞俄比亚阿尔巴明奇大学和亚的斯亚贝巴科技大学的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项开创性研究。该团队首次对埃塞俄比亚医院和制药工业废水中的微生物群落进行宏基因组学分析，揭示了这些极端环境中蕴藏的丰富微生物多样性和次级代谢潜力。

研究采用Illumina HiSeq1500平台进行全基因组鸟枪法测序，从4个采样点（2家医院和2家制药企业）获取废水样本。通过MetaSPAdes组装和SILVA数据库比对进行微生物群落分析，利用antiSMASH预测生物合成基因簇，结合KEGG和GO数据库进行功能注释。

微生物群落组成

样本中细菌占比超过90%，Pseudomonadota（γ-变形菌纲占14.6-25%）为最优势菌门。医院废水中Pseudomonas moraviensis（能将有毒硒转化为元素硒）和Streptomyces spp.（抗生素主要生产者）异常富集，制药废水中Pedobacter和Flavobacterium显著增多。值得注意的是，样本中存在大量未分类微生物序列（最高达17.76%），暗示可能存在新物种。

功能特征分析

GO分析显示代谢和生物合成过程占主导。ABC转运蛋白（PF00005）和组氨酸激酶（PF00512）等与抗生素抗性相关的蛋白家族高度富集。KEGG通路分析发现多种次级代谢产物合成途径，包括：

• 萜类化合物：C5异戊二烯生物合成途径（M00096）

• β-内酰胺类：头霉素C生物合成（M00673）

• 其他抗生素：吡咯尼群（M00790）和绿脓菌素（M00835）

生物合成基因簇预测

通过antiSMASH鉴定出102-220个BGCs，主要包括：

• 医院废水：terpenes（萜类）、bacteriocin（细菌素）和arylpolyene（芳基多烯）

• 制药废水：非核糖体肽合成酶（NRPS）和siderophore（铁载体）

  特别在制药废水样本EP中，鉴定出15类BGCs，包括具有抗氧化功能的arylpolyene和具有铁螯合能力的siderophore基因簇。

这项研究首次系统揭示了埃塞俄比亚医院和制药工业废水微生物组的组成与功能特征。研究发现这些极端环境富含具有生物技术潜力的微生物资源，特别是大量未分类微生物序列和次级代谢产物BGCs的发现，为新型抗生素开发提供了重要线索。制药废水比医院废水含有更丰富的BGCs多样性，表明工业排放物可能对微生物产生更强的选择压力，促进其产生更多样化的次级代谢产物。

Niguse Kelile Lema等研究人员的工作不仅为理解极端环境下微生物适应性提供了新视角，更重要的是开辟了从污染环境中挖掘新型抗生素的新途径。随着抗生素耐药性危机日益严峻，这类研究对于开发下一代抗菌药物和制定环境管理策略具有双重意义。未来研究可进一步分离培养这些环境中的微生物，验证其代谢产物的生物活性，为抗击"超级细菌"提供新武器。