整合宏基因组学与代谢组学解析有机固废处理中抗生素抗性基因与抗生素化合物的动态演变

本研究针对有机固废处理过程中抗生素抗性基因(ARGs)和抗生素化合物的环境风险问题，通过整合宏基因组测序(MAGs分析)和非靶向代谢组学技术，系统揭示了厌氧消化(AD)与好氧堆肥(AC)集成工艺中微生物群落、抗性组和抗生素化合物的动态变化规律。研究发现堆肥过程显著增加了ARGs的多样性和丰度，其中成熟堆肥以大环内酯类和利福霉素类ARGs为主，而消化液富含氨基糖苷类ARGs；代谢组学分析显示苯并吩嗪类和甲氧苄啶衍生物在消化液中富集，而堆肥产物中则检出高浓度的苯醇类和磺胺类化合物。该研究为评估生物废物处理工艺的环境安全性提供了多组学方法学框架。

　　

随着城市化进程加速，市政固体废弃物(MSW)中有机组分(OFMSW)的处理已成为全球性挑战。这些富含有机质的废弃物虽可通过厌氧消化(AD)和好氧堆肥(AC)转化为生物能源和土壤改良剂，但同时也是抗生素抗性基因(ARGs)的重要载体。更令人担忧的是，当前对有机废物处理过程中ARGs和抗生素化合物的归趋认识仍存在重大空白，特别是集成AD-AC系统对这两类污染物的协同去除机制尚不明确。这种认知缺陷使得经处理的有机肥料可能存在潜在的生态风险，当施用于农田时，可能通过水平基因转移将ARGs传播给土壤微生物，进而进入食物链威胁人类健康。

为系统解答这一科学问题，意大利圣心天主教大学的研究团队在《Environmental Microbiome》发表了一项开创性研究。该团队创新性地将宏基因组测序与非靶向代谢组学技术相结合，对全规模AD-AC集成处理厂中的六种基质（浆料、消化液、固液分离组分、新鲜堆肥和成熟堆肥）进行了多组学分析。通过提取128个宏基因组组装基因组(MAGs)和鉴定354种抗生素化合物，首次全面揭示了有机固废处理链中微生物群落-抗性组-抗生素化合物的互作网络。

研究采用三项关键技术方法：(1)从80,000吨/年处理量的全规模工厂按月采集18个样本；(2)基于Illumina NovaSeq 6000平台进行2×150 bp双端测序，通过MetaWRAP流程进行MAGs组装和抗性基因注释；(3)运用Q-ExactiveTM Focus Orbitrap质谱仪开展非靶向代谢组学分析，通过MS-DIAL软件进行化合物注释。样本覆盖预处理浆料到最终堆肥产品的完整工艺链。

微生物群落动态演变方面，研究发现了显著的工艺特异性选择。厌氧消化阶段以厚壁菌门(Bacillota)的蛋白水解菌群为主导，如Petrimonas mucosa和Proteiniphilium massiliensis；而堆肥阶段则富集了65个MAGs，主要为耐高温放线菌，包括Mycobacterium thermoresistibile和Thermocrispum municipale。值得注意的是，成熟堆肥中氨氧化古菌Nitrososphaera sp.的出现，暗示了堆肥产品在农业应用中的潜在氮转化功能。

抗性组分析揭示了处理工艺对ARGs的显著重塑。尽管两类工艺都未能减少ARGs总负荷，但引发了明显的类别转换：消化液中氨基糖苷类(aac(6')-Ib等)和林可酰胺类(lnuH)ARGs占优，而堆肥产品中大环内酯类(oleC)和利福霉素类(rpoB)ARGs显著增加。特别值得关注的是，成熟堆肥中ARGs多样性指数(H=3.7±0.1)和丰度(log2(FC)=3.7)均显著高于消化液，且四环素类抗性基因tetM出现反常富集。通过MAGs溯源发现，Nocardioides luteus等放线菌是多重耐药基因的主要载体。

代谢组学结果展现了抗生素化合物的差异化分布。消化液富含苯并吩嗪类(如pyocyanin)和甲氧苄啶衍生物，而成熟堆肥则以氯霉素类(chloramphenicol)和磺胺类(sulfacetamide)为主。固液分离过程导致抗生素化合物的物理分异：疏水性物质如羧酸多聚体在固相富集(log2(FC)=-8.0)，而液相则保留更多水溶性化合物。多组学整合分析(MOFA)发现β-内酰胺酶基因与β-内酰胺类化合物呈显著正相关(r>0.7)，暗示了化合物-抗性基因的共选择机制。

这项研究的重要发现在于：首次通过多组学方法证实AD-AC集成工艺虽然改变了ARGs和抗生素化合物的组成谱，但未能有效降低其环境风险。成熟堆肥中耐高温病原菌(如Mycobacterium thermoresistibile)与多重耐药基因的共存现象尤为值得警惕。研究建立的宏基因组-代谢组关联分析框架，为评估有机废物处理工艺的生态安全性提供了新范式。这些发现提示未来需要优化处理参数（如延长堆肥熟化期）并开发针对性监测方案，特别是对可能通过肥料进入农业系统的耐热性ARGs宿主菌。该成果不仅推进了对生物废物处理中抗性基因传播机制的理解，也为制定基于风险的有机肥料安全管理策略提供了科学依据。