牛粪厌氧消化 - 堆肥系统中抗生素抗性基因动态演变及病毒 - 群体感应调控机制研究

《Microbiome》：Viromic and metagenomic analyses reveal distribution and dissemination of antibiotic resistance genes in anaerobic digestion-composting systems: roles of quorum sensing and viruses

　　

摘要

背景

在“同一健康”（One Health）框架下，未经处理的牲畜废弃物成为抗生素抗性基因（ARGs）跨领域传播的关键载体。尽管越来越多的农业废弃物处理系统采用了厌氧消化-堆肥联合工艺，但ARGs的动态演变过程以及群体感应（QS）和病毒群在急剧环境变化中的调节作用仍亟待深入研究。

结果

我们通过全面的病毒组学和宏基因组分析，追踪了在一个全规模厌氧消化-堆肥系统处理牛粪的过程中，ARGs、抗菌素耐药细菌（ARBs）、QS和病毒群落的动态变化。总体ARGs的相对丰度（RPKG）在牛粪消化产物中高于原始牛粪，在成熟堆肥中低于堆肥原料；携带病毒因子（VFGs）的基因片段的相对丰度（RPKM）在成熟堆肥中也低于堆肥原料。然而，某些高风险ARGs，尤其是< />和< />LuxR和DGC）与ARGs及其毒力因子（VFGs）的丰度之间存在高度显著的正相关（R² > 0.82，P < 0.001）。此外，虽然裂解性噬菌体在病毒群落中占主导地位，但在高温环境下，噬菌体和ARBs-宿主丰度的变化趋势出现了明显脱钩，这与病毒丰度下降的现象一致。

结论

在这项研究中，牛粪消化产物中的平均ARGs丰度（RPKG）高于原始牛粪。成熟堆肥中的平均ARGs和VFGs丰度（RPKG）低于堆肥原料。尽管如此，aac(3)-VIIa、sul1和tet(M)以及与Bacillota和Actinomycetota相关的携带ARGs的MAGs在成熟堆肥中仍然可被检测到。QS（luxR和< />）主要与细菌的持续性及潜在的水平基因转移相关，而噬菌体主要起到生态捕食者的作用，很少携带ARGs，因此在高温度下耐药细菌的持续存在与病毒-宿主之间的耦合关系减弱，这并不支持基因转移的证据。这些观察结果提示，可以采用针对特定生物机制的干预措施（如QS抑制剂或有序接种噬菌体）作为候选策略，但其可行性和有效性仍需在不同原料、季节和全规模运行条件下进行验证，才能提出一般性的管理建议。

视频摘要

背景

在“同一健康”框架下，未经处理的牲畜废弃物成为抗生素抗性基因（ARGs）跨领域传播的关键载体。尽管越来越多的农业废弃物处理系统采用了厌氧消化-堆肥联合工艺，但ARGs的动态演变过程以及群体感应（QS）和病毒群在急剧环境变化中的调节作用仍亟待深入研究。

结果

我们通过全面的病毒组学和宏基因组分析，追踪了在一个全规模厌氧消化-堆肥系统处理牛粪的过程中，ARGs、抗菌素耐药细菌（ARBs）、QS和病毒群落的动态变化。总体ARGs的相对丰度（RPKG）在牛粪消化产物中高于原始牛粪，在成熟堆肥中低于堆肥原料；携带病毒因子（VFGs）的基因片段的相对丰度（RPKM）在成熟堆肥中也低于堆肥原料。然而，某些高风险ARGs，尤其是< />和< />LuxR和< />）与ARGs及其毒力因子（VFGs）的丰度之间存在高度显著的正相关（R² > 0.82，P < 0.001）。此外，虽然裂解性噬菌体在病毒群落中占主导地位，但在高温环境下，噬菌体和ARBs-宿主丰度的变化趋势出现了明显脱钩，这与病毒丰度下降的现象一致。

结论

在这项研究中，牛粪消化产物中的平均ARGs丰度（RPKG）高于原始牛粪。成熟堆肥中的平均ARGs和VFGs丰度（RPKG）低于堆肥原料。尽管如此，aac(3)-VIIa、sul1和< />以及与Bacillota和Actinomycetota相关的携带ARGs的MAGs在成熟堆肥中仍然可被检测到。QS（luxR和< />主要与细菌的持续性和潜在的水平基因转移相关，而噬菌体主要起到生态捕食者的作用，很少携带ARGs，因此在高温度下耐药细菌的持续存在与病毒-宿主之间的耦合关系减弱，这并不支持基因转移的证据。这些观察结果提示，可以采用针对特定生物机制的干预措施（如QS抑制剂或有序接种噬菌体）作为候选策略，但其可行性和有效性仍需在不同原料、季节和全规模运行条件下进行验证，才能提出一般性的管理建议。

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