《Applied and Environmental Microbiology》：Double-edged sword of FeS oxidation in estuarine and coastal sediments: accelerating elemental cycling yet enhancing antibiotic resistance enrichment
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河口与海岸环境中的生物地球化学循环对抗生素的命运和行为产生显著影响，然而硫化亚铁介导的抗生素抗性基因富集与传播机制仍不清楚。本研究通过微宇宙实验和野外调查，考察了FeS添加、微生物群落、元素循环相关的功能潜力以及ARG丰度之间的关系。FeS对ARG丰度的正向效
河口与海岸环境中的生物地球化学循环对抗生素的命运和行为产生显著影响，然而硫化亚铁介导的抗生素抗性基因富集与传播机制仍不清楚。本研究通过微宇宙实验和野外调查，考察了FeS添加、微生物群落、元素循环相关的功能潜力以及ARG丰度之间的关系。FeS对ARG丰度的正向效应依赖于有氧条件，并伴随着作为ARG关键宿主的变形菌门的显著富集。变形菌门与碳固定、固氮和FeS氧化的系统性代谢途径相关联。此外，来自中国河口与海岸湿地的野外样本进一步表明，卡尔文-本森-巴沙姆循环、固氮和硫氧化途径与ARG的相对丰度显著相关。这些发现共同表明，FeS氧化通过选择性富集变形菌门并由此增强硫、铁、碳和氮循环之间的代谢协同作用，促进了ARG的富集与传播。然而，FeS介导的氧化也可能降解微生物DNA并抑制ARG增殖，这表明ARG富集的净结果取决于氧气条件和微生物群落过滤。环境调控-群落重构-代谢协同的级联过程对于增强ARG富集与传播具有重要意义。因此，氧化还原波动能够增强元素循环，并进一步促进ARG的显著富集与传播。这些发现强调了氧化还原动态变化在河口与海岸湿地ARG监测与风险评估中的重要性。
研究背景与科学问题
河口与海岸湿地是连接陆地与海洋生态系统的关键界面，长期承受人类活动带来的抗生素污染。渔业活动中抗生素的大量使用，使得这些区域成为抗生素抗性基因富集与传播的热点。已有研究表明，氧化还原波动能够增强生物地球化学循环，但这些强化过程如何介导ARG的富集与传播仍不明确。硫化亚铁是在缺氧沉积物中广泛存在的铁矿物，潮汐波动塑造的氧气浓度梯度可引发非生物与生物的FeS氧化反应，这一过程不仅关联电子传递与矿物相转化，还会产生活性氧物种并改变局部微环境的pH和氧化还原电位，构成强烈的环境选择压力，重塑微生物群落结构与功能，进而对ARG产生交互影响。然而，FeS氧化所引发的环境条件、生物地球化学过程与微生物群落的级联效应如何调控ARG的富集与传播，目前认知极为有限。
研究目的与设计
基于上述空白，研究人员提出假设：在潮汐驱动下高度强化的FeS氧化过程，可通过增强碳、氮、硫循环的耦合，促进微生物群落重构与代谢重编程，从而增加河口与海岸环境中ARG的富集与传播。为此，研究人员设计了有氧与无氧条件下的微宇宙培养实验，设置四个处理组：（i）厌氧+FeS、（ii）厌氧对照、（iii）有氧+FeS和（iv）有氧对照。沉积物样品采集自长江口崇明东滩湿地低潮间带表层。研究旨在阐明：FeS在氧化还原波动下对ARG富集的影响；FeS氧化条件下微生物群落的演替模式；碳固定、固氮、硫代谢与ARG丰度之间的相关性。
主要关键技术方法
研究采用的关键技术方法包括：基于Illumina NovaSeq平台的宏基因组测序与组装；利用CD-HIT构建非冗余基因集，并通过Diamond将序列比对至综合抗生素抗性数据库和移动元件数据库进行ARG/MGE功能注释；采用MetaBAT2、MaxBin2和SemiBin2整合分箱策略结合DAS Tool获得最优基因组集合，并使用GTDB-Tk进行物种分类注释；通过Salmon将原始读段映射至非冗余基因集计算基因丰度，以每百万转录本数标准化；利用SparCC构建共现网络，使用结构方程模型评估环境因子对ARG的直接与间接效应。此外，研究还重新分析了公开发表的包含中国河口与海岸湿地16个采样位点的宏基因组数据集用于野外验证。
研究结果
FeS对ARG和微生物群落的影响
FeS在有氧条件下显著增加了ARG总丰度以及磺胺类和多药耐药基因的丰度。尽管MGE总丰度未发生显著变化，但ARG-MGE共定位基因簇丰度在有氧FeS处理下显著升高，表明FeS氧化并未扩大整体MGE库，而是在基因组层面加强了ARG与MGE的物理连锁，从而可能增强水平基因转移。微生物群落结构在处理组间发生显著分离，FeS添加降低了微生物变异度。在有氧FeS条件下，ACE、Chao和Shannon多样性指数显著降低，而变形菌门相对丰度显著增加。检测到的28种ARG中有22种主要来源于变形菌门。尽管有氧FeS组的共现网络复杂度下降，但该组中变形菌门节点占比最高且正相关比例最高，暗示强环境过滤下的代谢互补性与生态位重叠增强。
MAGs与元素代谢潜力
通过宏基因组组装基因组分析，获得的MAGs隶属于多个细菌门类，其中变形菌门占24个。多个变形菌门MAGs在有氧FeS条件下高度富集。功能注释显示，除mag14和mag18外，所有变形菌门MAGs均具备完整的碳固定、氮代谢和FeS氧化代谢潜力。此外，部分Gemmatimonadota和Chloroflexota的MAGs也表现出完整的碳固定、氮循环和FeS氧化代谢能力。
代谢途径驱动的ARG富集
CBB循环与ARG呈显著正相关，其中醛缩酶基因、果糖-1,6-二磷酸酶基因和甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因与部分ARG显著相关。氮代谢与ARG显著正相关，厌氧氨氧化、异化硝酸盐还原为铵、同化硝酸盐还原和固氮途径均与ARG显著关联，其中固氮贡献最大，固氮基因与特定ARG显著相关。虽然FeS氧化整体与ARG无显著相关性，但硫代硫酸盐氧化途径、SOX系统和硫氧化代谢途径与ARG显著正相关。关键功能基因分析进一步证实，CBB循环羧化过程的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶大亚基和小亚基基因、还原阶段的磷酸核酮糖激酶和果糖-二磷酸醛缩酶基因，固氮途径的固氮酶铁蛋白基因、钼铁蛋白α链基因和β链基因，以及硫氧化途径的黄素细胞色素c硫化物脱氢酶基因，均与ARG丰度呈现显著线性正相关。
沉积物因子对ARG的调控
FeS添加在有氧条件下显著提高了总有机碳、微生物生物量氮、硫酸根和亚铁离子浓度，但降低了易氧化有机碳浓度。MBN与多药和磺胺类耐药基因显著正相关，硫酸根与多药耐药基因显著相关，三价铁与β-内酰胺耐药基因显著关联，亚铁离子与磺胺类耐药基因显著相关。结构方程模型揭示，硫离子不仅对ARG和AMCC有显著的直接正向效应，还可通过调控TOC和MBN间接影响其丰度。
从实验室到野外的环境意义
对中国16个河口与海岸湿地野外站点的数据分析表明，ARG丰度与变形菌门丰度显著相关，CBB循环、固氮和硫氧化途径与ARG丰度同样显著相关。值得注意的是，并非所有站点均表现出同步增长，提示该机制受当地沉积物FeS含量、有机质和微生物结构等多因素共同调控。
讨论与结论
FeS氧化对ARG的正向效应依赖于有氧条件，因为在氧气充足环境下FeS氧化强烈进行。有氧条件下FeS产生的ROS可诱导微生物氧化应激反应，增加MGE重组频率，促进ARG水平转移。然而，FeS氧化也可通过类芬顿反应降解胞外或胞内DNA，抑制ARG增殖，表明存在“促进传播”与“驱动降解”之间的环境依赖性动态权衡机制。
FeS氧化显著降低了微生物α多样性但特异性富集了变形菌门。变形菌门因其强大的抗氧化能力、金属耐受性和多样的能量代谢途径，在FeS氧化环境中获得竞争优势。简化但更具协同性的网络结构有利于高效资源分配与功能协调，增强了变形菌门的环境适应性。
元素代谢耦合是驱动ARG富集的核心机制。硫氧化作为产能过程，可为耗能的CBB循环和固氮提供ATP和还原力，形成变形菌门内部的代谢耦合。这些代谢耦合不仅增强了变形菌门在FeS氧化环境中的适应优势，还通过提高细胞代谢活性和生物量周转间接促进了ARG的共选择和富集。硫循环在FeS驱动的ARG富集中发挥关键作用，通过耦合碳、氮代谢形成了多元素协同驱动网络。
研究结论翻译：本研究发现，FeS氧化增加了河口与海岸沉积物中ARG的富集与传播。FeS氧化重塑了微生物群落结构，并选择性富集了作为ARG关键宿主的变形菌门。FeS氧化存在下ARG的富集与传播归因于硫氧化、固氮和碳固定代谢耦合的增强。沿纬度梯度的野外样本中，CBB循环、固氮和硫氧化途径也与ARG丰度显著相关。这些结果强调，FeS氧化促进了生物地球化学循环，进而加剧了ARG的富集与传播。此外，在氧化还原波动的背景下，ARG的富集与传播将会增强，这可能会增加河口与海岸湿地的抗生素风险。由生物地球化学循环增强的ARG富集与传播，对其他相关和全球生态系统中的抗生素管理具有重要启示。
