全规模厌氧污泥消化过程中病毒携带的抗生素抗性基因的归趋与特征

《Environmental Research》：Fates and Characteristics of Antibiotic Resistance Genes Carried by Viruses during a Full-Scale Anaerobic Sludge Digestion

　　

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  热水解降低了vARG的多样性和丰度，但厌氧消化导致其富集。
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  大多数vARG在处理后被去除，但大量携带ARG的病毒在最终污泥中持续存在。
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  与其他ARG类型相比，病毒携带的ARG在污泥处理过程中表现出更高的持久性。
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  vARG可能转移至病原细菌，对环境与健康构成风险。

引言

抗生素在治疗细菌感染中的过度和不恰当使用，导致抗生素抗性基因（ARGs）和抗生素抗性细菌在各种环境中的出现和传播（Ranjbar和Alam 2023）。据估计，2019年约有500万人死于细菌对抗生素的耐药性（Ranjbar和Alam 2023）。ARGs可通过水平基因转移（HGT）在细菌宿主之间迅速传播，这通常由各种可移动遗传元件（MGEs）（例如病毒和质粒）介导（Nguyen等人 2021）。作为全球健康问题之一，这将对抗生素耐药性构成巨大挑战（Rice等人 2020；Xie等人 2025）。

病毒以其相对较小的基因组和高度多样化的特征，代表了生物圈中最丰富的生物实体，例如，噬菌体的数量估计约为10³¹个粒子（Breitbart等人 2018）。病毒可以在细菌物种内甚至跨物种边界转移ARGs（Zhang等人 2022）。例如，有报告称从废水中分离的T7样噬菌体将ARGs（例如tetM和cmlA）转导至大肠杆菌（Liu等人 2020）。病毒基因组的快速重组和突变事件可能导致新型ARGs的出现（Breitbart等人 2018；Sanjuan等人 2010）。由于衣壳的保护作用，病毒在环境中持久存在，从而促进了病毒携带ARGs（vARGs）的长期传播（Calero-Caceres等人 2019）。因此，了解不同环境中vARGs的特征及其潜在宿主，对于解决病毒在抗生素耐药性发展和传播中的作用至关重要。

活性污泥（ASs）被认为是病毒、人类致病菌（HPB）和ARGs的巨大储存库（Cui等人 2022；Liu等人 2021；Ye和Zhang 2011）。污泥中病毒（每毫升10⁸至10⁹个病毒样颗粒（VLPs））和细菌（每毫升10⁸个细胞）的种群密度确实比淡水、海洋等其他环境高10到1000倍（Liu等人 2021；Parikka等人 2017；Yang等人 2017）。病毒组和基因组分析均表明，污泥中的病毒和细菌可以携带大量种类的ARGs（Li等人 2021；Liu等人 2024；Nguyen等人 2021）。活性污泥工艺在全球范围内的普及不可避免地产生了大量活性污泥（Kor-Bicakci和Eskicioglu 2019）。目前，活性污泥通过厌氧消化（AD）进行处理（Syafiuddin和Boopathy 2021），这可能在污泥回收前大幅减少有害因子（例如病毒、ARGs和病原体）（Wang等人 2023）。然而，在整个厌氧污泥消化过程中vARGs的命运仍需深入理解，这可能会受到多种因素的影响，例如不同处理步骤对病毒和细菌的去除或富集，以及病毒与其宿主之间的复杂相互作用（Shi等人 2021；Syafiuddin和Boopathy 2021；Yoo等人 2020）。了解AD对vARGs的影响对于评估污泥中vARGs的潜在风险至关重要。

章节摘要

样本采集

在本研究中，于2021年7月和9月从中国北京一家厌氧消化处理厂共采集了10个污泥样品。该厌氧消化处理厂的年处理能力为6.2 × 10⁵吨（干重），其处理工艺采用厌氧消化，配备三个相关处理步骤：初级脱水过程、热水解和最终脱水过程（补充材料SM中的图S1）。

活性污泥中vARGs的特征

在我们的污泥样品中，从81个病毒contigs中预测出的79个独特ORFs被鉴定为vARGs，它们被归类为39个ARG亚型，与10种抗生素类别相关（图1a）。在所有耐药类型中，与甲氧苄啶相关的vARGs（n = 25）在污泥病毒组中多样性最高，其次是红霉素-链阳菌素-大观霉素类（MLS）（15）、多重耐药（10）和莫匹罗星（8）。在所有携带ARG的病毒contigs中，约60.0%可以被注释，包括

讨论

噬菌体已被公认为污水处理厂中ARGs的关键载体和基因交换介导者（Lood等人 2017）。病毒组具有高度多样性和变异性，这可能是由于频繁的重组和突变事件所致（Moon等人 2020；Sanjuan等人 2010）。因此，vARGs可能演变为与已知ARGs存在显著差异的序列。在本研究中，我们根据以往的研究在污泥中鉴定了数十个推定的vARGs

结论

本研究对厌氧污泥消化过程中vARGs进行了全面表征。在污泥病毒组中检测到跨越多种抗生素耐药类别的多样化vARGs，其中甲氧苄啶耐药基因显示出最高的多样性。虽然热水解有助于减少vARGs，但随后的厌氧消化显著重塑了病毒群落，并促进了特定vARGs在最终消化污泥中的富集。大多数

CRediT作者贡献声明

赵元庆：方法学。栾铁钢：资金获取，概念化。袁凯：撰写—审阅与编辑，方法学，概念化。黄碧：撰写—初稿，方法学，调查，形式分析。陈保伟：撰写—初稿，验证，资金获取，概念化。李兆红：调查。杨恩泰：资源。卢建安：方法学。胡立刚：资源，资金获取。侯兴旺：资源

未引用参考文献

Calero-Cáceres和Muniesa，2016；Calero-Cáceres等人，2019；临床和实验室标准协会，2015；临床和实验室标准协会，2016；Sanjuán等人，2010。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：22276224、编号：22127810和编号：22536007）和中国国家重点研发计划（编号：2019YFC1906505）的支持。

黄碧|陈保伟|李兆红|杨恩泰|卢建安|胡立刚|侯兴旺|赵元庆|栾铁钢|袁凯