水产养殖与基因组监测技术对淡水和海洋沉积物中抗生素抗性基因谱及微生物群落的影响研究

本研究采用靶向富集宏基因组学（bait-capture）和Resistomap qPCR技术，系统评估了加拿大水产养殖区沉积物中抗生素抗性基因（ARGs）的分布特征及其与微生物群落的关系。研究发现养殖活动显著改变了沉积物中ARGs的组成和丰度，四环素类抗性基因（如tetE、tetM）占主导地位，且与养殖距离及化学残留物浓度密切相关。该研究为环境AMR（Antimicrobial Resistance）监测提供了有效的基因组学方法支持，对水产养殖可持续发展和One Health策略具有重要实践意义。

　　

引言

抗生素耐药性（AMR）是全球健康的重要威胁，其传播与人类和兽医领域抗菌药物的广泛使用及环境释放密切相关。水产养殖作为鱼类、贝类等水生生物的控制性生产活动，是加拿大渔业的重要组成部分。随着养殖集约化程度提高，疾病爆发风险上升，抗生素使用量增加，导致沉积物中抗生素残留及抗性基因（ARGs）扩散风险加剧。本研究旨在评估两种基因组学方法——靶向富集宏基因组学（bait-capture）和Resistomap qPCR面板——在淡水和海水沉积物中检测ARGs的适用性，并分析其与微生物群落的关系。

方法

沉积物样本于2022年从加拿大不列颠哥伦比亚省（BC）、新不伦瑞克省（NB）和安大略省（ON）的活跃水产养殖点采集，包括网箱正下方（0米）、125米外及参考点样本。化学分析针对三种养殖相关残留物：伊维菌素苯甲酸盐（EMB）、去甲基伊维菌素苯甲酸盐（DES）和土霉素（OTC）。基因组DNA通过Qiagen DNeasy? PowerSoil? Pro试剂盒提取，并用于bait-capture、qPCR和16S rRNA基因扩增子测序。

bait-capture使用定制RNA探针靶向647个非冗余ARG和96个质粒复制子（REPs），通过Illumina NextSeq 1000平台测序。Resistomap qPCR则采用51个ARG引物、2个插入序列（ISs）和1个16S rRNA基因引物。16S rRNA测序使用V3–V4和V4–V5引物评估微生物群落。数据分析包括α/β多样性评估、PERMANOVA和共现网络构建。

结果

化学残留物分析显示，0米处沉积物中OTC、EMB和DES浓度显著高于125米处，其中OTC在BC和ON样本中浓度最高。bait-capture共检测到194个ARG和41个REP，0米处ARG数量（BC平均94个，ON平均95个）显著高于参考点（9–23个）。四环素抗性基因（如tetE、tetM）占主导地位，相对丰度达11.7%–95.5%。 phenicol类抗性基因（如optrA、floR）在BC样本中高丰度出现。qPCR检测到51个ARG中的37个，但区域和距离对ARG组成无显著影响。

微生物群落分析显示，区域和距离对群落结构有显著影响（PERMANOVA，p < 0.01）。0米处沉积物中Campylobacterota（BC和NB）和Firmicutes（ON）丰度较高。共现网络揭示了微生物属与ARG/REP之间的强相关性（Spearman ρ > 0.8），如未培养Sedimenticolaceae与vatE（链阳性菌素抗性）和repUS4复制子的关联。

讨论

本研究证明bait-capture能高效检测沉积物中多样化的ARG和MGE，尤其适用于低丰度靶标；qPCR则在定量已知ARG方面具高灵敏度。两种方法均发现养殖活动对沉积物ARG谱的影响，其中四环素和phenicol类抗性基因与养殖用药（如OTC、氟苯尼考）使用密切相关。微生物群落变化（如Sulfurovum、Syntrophomonas富集）进一步反映了有机沉积和缺氧条件对底栖生态的影响。

共现网络结果表明，ARG与REP的频繁共现提示质粒介导的AMR传播潜力。然而，属与ARG的直接关联较少，建议未来采用长读长测序或邻近连接技术深入解析ARG宿主。

结论

靶向富集宏基因组学和qPCR均为环境AMR监测的有效工具，其中bait-capture在检测等位基因多样性和稀有ARG方面具明显优势。水产养殖活动通过化学残留和微生物群落改变影响沉积物抗性组，需持续监测以支持可持续养殖和One Health实践。