宏基因组分析城市休闲水域九山湖的微生物群落结构和抗性基因（英文）

【背景】城市水环境正面临着严峻的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)污染。然而关于城市休闲水域中ARGs的研究较少。【目的】对城市休闲水域夏冬季节的微生物群落和抗性基因组成进行研究分析,促进对休闲水域水生生态系统的认识。【方法】基于高通量测序技术,对休闲湖泊九山湖夏季和冬季的微生物及ARGs组成进行分析。【结果】在夏季和冬季样本中分别检测到148门和152门。变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是两个季节样本的主要菌门。夏季优势属为聚球藻属(Synechococcus),冬季优势属为Liminohabitans。此外,共鉴定出449种抗性基因型(304种是两个季节所共有的抗性基因,66种是夏季特有的抗性基因,79种是冬季特有的抗性基因)。夏季样本中ARGs的相对丰度显著高于冬季。MCR-1.2和BcI分别是夏季和冬季水样的主要ARGs。九山湖样本检测到的抗性基因的耐药机制主要是抗生素外排、抗生素失活或抗生素靶位改变。冗余分析(redundancy analysis,RDA)和典型对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)结果表明,环境因子与微生物群落和抗性基因的分布显著相关。【结论】九山湖冬季和夏季的微生物群落结构和抗性基因组成存在明显差异,为进一步认识和了解城市休闲水生生态系统的结构提供了有用的信息,并强调了水体的ARGs污染可能造成的健康危害。     

台风利奇马对城市淡水系统中微生物群落和抗生素耐药性基因的影响

【背景】极端天气事件(如台风)带来的强风和降水,会给水生生态系统造成短暂和持久的影响。然而,很少有研究关注台风对水生微生物群落和抗生素耐药性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的影响。【目的】对台风前后城市淡水水域的微生物群落和抗性基因组成进行研究分析,更好地认识极端天气对淡水生态系统的干扰。【方法】在台风前后从4个地点采集了水样,通过宏基因组分析,检测了台风利奇马对温州休闲水域微生物群落和抗性基因的影响。除水生微生物群落和抗性基因外,还分析了每个采样点的物理、化学参数,包括温度、pH、溶解氧、叶绿素a、可溶性活性磷、硝酸盐、亚硝酸盐和铵。【结果】台风登陆后,大多数地点的pH、溶解氧和叶绿素a都有所增加。然而,台风对九山湖的影响要弱于对三垟湿地的影响。台风登陆后,变形菌门、蓝菌门和拟杆菌门的相对丰度增加,而放线菌门的相对丰度下降。在属水平上,栖湖菌的微生物多样性和相对丰度显著增加。在所有的环境因子中,铵是影响微生物群落结构的最重要的环境因子。另外,在所有样本中均检测到35个机会性致病菌类群。台风后,铜绿假单胞菌的相对丰度增加。ARGs显示了空间(采样点间)和时间(台风前后)的变化。冗余分析表明,水总无机氮是影响抗性基因分布的主要环境因子。【结论】这些发现为极端天气(如台风)如何影响淡水系统中的微生物群落和抗性基因提供了新的见解。台风登陆增加了城市淡水系统的公共安全风险,因此,检验检疫方法和手段应该前移,加强对环境健康安全的评价和分析,这将有助于减轻抗生素耐药性和致病菌扩散的风险。     

海州湾近岸海域的微生物群落结构和抗生素抗性基因时空变化

【背景】近岸海域抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的污染和累积将直接影响海产品质量和安全,海州湾作为江苏省的四大渔场之一,是江苏渔业发展的主要载体,有多条大小河流注入,沿岸为重要农业区,对公众健康产生重大影响。【目的】对海州湾夏秋季的水样及沉积物展开微生物及ARGs检测。【方法】基于宏基因组测序技术开展海州湾夏秋两季近岸6个站点中水体和沉积物中ARGs种类和相对丰度以及微生物群落的组成研究。【结果】变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是夏秋季度两种介质中最优势的门类,水样中优势的科级细菌为红细菌科(Rhodobacteraceae),沉积物样品中为脱硫杆菌科(Desulfobacteraceae);夏季水样中的ARGs相对丰度要明显高于秋季,但沉积物中不同季节的ARGs相对丰度未表现出明显的变化趋势;在水样中主要门级微生物群落的抗性机制主要是抗生素靶位替换和抗生素靶位保护,沉积物样品则以抗生素灭活机制为主,而主要科级微生物群落的抗性机制更加多样;冗余分析(redundancyanalysis...     

成都平原不同种植方式折耳根表面附生细菌群落结构与抗生素抗性基因分析

【目的】分析有机、化肥和野生折耳根表面的附生细菌群落结构和抗生素抗性基因(ARGs),揭示细菌群落结构与ARGs相互关系。【方法】高通量测定16SrRNAV3-V4可变区序列分析样品表面附生细菌群落结构;PCR和qPCR扩增29种ARGs基因分析样品表面ARGs污染情况;冗余分析(RDA)探讨细菌群落结构与ARGs的相互关系。【结果】折耳根表面检测到35个属的细菌,其中有机折耳根表面附生细菌多样性低于化肥和野生折耳根(P0.05);29种被检的ARGs中,有14种在折耳根中被检出,其中有机折耳根含有全部被检出的ARGs,化肥和野生折耳根则含有部分被检出的ARGs。折耳根表面ARGs污染的多样性和丰度显著受到样品表面的菌群结构影响,其中Lactococcus、 Escherichia、Fluviicola、Enterococcus、Sanguibacter和Acidovorax是影响ARGs最主要的菌群。【结论】有机种植极大地改变了折耳根表面附生细菌的群落结构,增加了ARGs的多样性和丰度,对有机折耳根的食品安全带来了潜在威胁。因此,有必要将ARGs污染监测纳入到有机折耳根的食品安全考核范围内。     

汾河入黄口夏季微生物群落结构分析

【背景】河流交汇区日益成为流域生态治理的焦点和热点之一。【目的】探明汾河入黄口微生物群落结构及其主要环境影响因子。【方法】应用16S rRNA基因Illumina MiSeq高通量测序技术,分析了汾河入黄口夏季微生物群落结构,并利用典范对应分析(Canonical correspondence analysis,CCA)了解影响微生物群落的主要环境因子。【结果】多样性指数分析表明该区域微生物群落多样性较高。微生物多样性分析发现优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria);在属分类水平上,相对丰度最高的菌属为芽孢杆菌属(Bacillus),其次为乳球菌属(Lactococcus)和hgcI_clade。Spearman相关性分析及典范对应分析表明环境因子对水体微生物群落结构具有显著影响。【结论】汾河与黄河微生物群落组成具有一定的差异,不同环境因子对不同微生物的影响程度不同,p H和溶解氧(Dissolved oxygen,DO)是汾河入黄口微生物群落结构的主要影响因子。     

九龙江河口及厦门污水处理设施抗生素抗性基因污染分析

【目的】近年来由于抗生素的滥用,导致了多药物抗性超级细菌的产生,有关抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)在环境介质中分布、迁移和扩散已经引起人们的广泛关注。针对九龙江河口及厦门污水处理设施抗生素抗性基因污染情况开展研究。【方法】通过定性PCR研究九龙江河口水体、沉积物和厦门污水处理设施活性污泥中4种磺胺类、13种四环素类ARGs及2种整合子基因的污染情况,并选择四环素类tet(W)基因进行克隆文库测序分析。【结果】除tet(O)和tet(S)外,其他基因均被检出。不同环境介质中的ARGs及整合子基因检出率为活性污泥(0.86)>沉积物(0.57)>水体(0.24)。在淡水和淡盐水中,sul(l)、int(1)、tet(A)、tet(C)、tet(E)、tet(M)和tet(W)的检出率要高于海水,表明九龙江上游可能是ARGs的污染源之一。【结论】主成分分析表明污水处理设施是ARGs的高发载体;沉积物是ARGs的稳定载体;而水体中的ARGs易于分解。此外,tet(W)基因克隆文库分析表明,厦门污水处理设施也可能是九龙江河口及厦门沿岸的ARG污染源。     

蝇蛆肠道微生物菌群对猪粪残留抗生素的降解及抗性基因的影响

【目的】过度使用抗生素作为动物饲料添加剂,导致畜禽粪便已成为抗生素抗性基因的主要蓄积库,为了研究蝇蛆(Musca domestica)对猪粪中残留抗生素及抗性基因的影响,本文动态采集了实际农场条件下蝇蛆转化过程中猪粪堆体及虫体样本。【方法】利用q PCR、液相色谱-电喷雾质谱、同位素内标法、Illumina高通量测序以及局部相似性研究蝇蛆生物转化过程中残留抗生素降解效能及相关抗性基因组变化的微生物生态机制。【结果】6 d周期内,猪粪中四环素、土霉素、金霉素、强力霉素、磺胺嘧啶、诺氟沙星、氧氟沙星、环丙沙星以及恩诺沙星等9种残留抗生素含量显著下降,累积减量为34.3%–58.1%,每日减量百分比介于7.8%–57.4%之间。猪粪中共检测到的158种抗性基因,其中有118种大幅衰减,衰减量平均达79.3%;23种抗性基因存在富集现象,富集倍数平均为3.48。在蝇蛆肠道的作用下,粪源微生物群落中Bacteroidetes相对丰度下降,Proteobacteria相对丰度增加,尤其是Ignatzschineria增幅最大。网络分析发现,抗性基因的增减与微生物群落的变化显著相关,与抗性基因衰减相关的微生物主要属于Clostridiales和Bacteroidales,而与抗性基因富集相关的微生物主要为Alcaligenaceae、[Weeksellaceae]及Bacillales。【结论】蝇蛆可有效削减猪粪中的残留抗生素及防控抗性基因向环境扩散。     

利福平对红裸须摇蚊幼虫肠道微生物群落结构及功能的潜在影响北大核心

【目的】摇蚊是水生生态系统中重要的昆虫种类之一,其肠道微生物与个体生长发育、环境适应等过程密切相关,本研究旨在探究抗生素处理对摇蚊幼虫肠道微生物群落结构及功能的潜在影响。【方法】利用16S rRNA基因扩增子测序技术对利福平处理的红裸须摇蚊(Propsilocerus akamusi)幼虫肠道内容物中的菌群进行分析和比较,应用Tax4Fun法对其肠道菌群功能进行预测。【结果】利福平处理能够改变红裸须摇蚊幼虫肠道群落结构和多样性,宿主肠道菌群中拟杆菌门(Bacteroidota)(P<0.05)以及脱铁杆菌门(Deferribacterota)(P<0.001)的相对丰度显著上升,而变形菌门(Proteobacteria)与厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度有所下降。在属水平上,利福平处理使耶尔森菌属(Yersinia)、假单胞菌属(Pseudomonas)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)的相对丰度有所降低,其中脱硫弧菌属(Desulfovibrio)显著降低。与此同时,共线性网络分析表明利福平处理后细菌群落稳定性大幅下降,菌种之间关联性显著减弱。通过京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路注释预测出红裸须摇蚊幼虫肠道菌群基因与基因信息处理、新陈代谢、人类疾病等功能相关,利福平处理可以使肠道菌群基因的抗药性功能显著上升,而内分泌和代谢疾病功能显著下降。【结论】研究结果揭示了抗生素利福平对红裸须摇蚊幼虫肠道细菌群落结构及功能的潜在影响,为进一步探索摇蚊肠道菌群发挥的必要作用奠定理论基础。     

基于Illumina MiSeq测序技术的塔克拉玛干沙漠东缘细菌多样性分析

【背景】塔克拉玛干沙漠凭借其独特的地理位置、恶劣的生存环境以及较少的人为干扰,造就了其独特的微生物资源。【目的】探究塔克拉玛干沙漠东缘沙土细菌群落结构多样性及其影响因素。【方法】采集塔克拉玛干沙漠东缘沙土样品并测定其理化性质,使用基于原核微生物16S rRNA基因的IlluminaMiSeq测序技术,对塔克拉玛干沙漠东缘沙土进行细菌群落结构多样性及其影响因素的分析。【结果】从塔克拉玛干沙漠东缘沙土中获得明确分类地位的细菌种类为21门42纲304属,其中优势菌门为拟杆菌门(Bacteroidetes,31.26%)、变形菌门(Proteobacteria,29.47%)、放线菌门(Actinobacteria,15.71%)和厚壁菌门(Firmicutes,15.69%);在属水平上相对丰度最高的菌属为Salinimicrobium (10.06%),其次为盐单胞菌属(Halomonas,7.39%)、芽胞杆菌属(Bacillus,3.25%)、蓬托斯菌属(Pontibacter,3.14%)、Aliifodinibius(2.76%)和考克氏菌属(Kocuria,1.76%)。全磷(Total Phosphorus,TP)、SO_4~(2-)和HCO_3~-含量对塔克拉玛干沙漠东缘微生物群落结构影响显著。【结论】揭示了塔克拉玛干沙漠东缘微生物群落结构及物种多样性,为后续塔克拉玛干沙漠微生物资源的研究提供理论依据。     

山东地区盐碱土花生种子际土壤微生物群落结构的研究

【目的】以不同含盐量的滨海盐土、内陆盐碱土和中等肥力非盐碱土壤为实验对象,探讨花生种子在吸水膨胀与萌发过程中,不同类型盐碱土对种子际土壤微生物多样性变化的影响。【方法】采集不同含盐量的滨海盐土、内陆盐碱土和中等肥力非盐碱土壤,通过对各样品中细菌的16S r RNA基因的V3-V4区进行PCR扩增,利用Illumina Hiseq高通量测序技术对12份V3-V4高变区PCR产物进行测序,并对测序数据进行生物信息学分析。【结果】(1)盐碱土壤的种子际细菌群落多样性高于非盐碱土壤,且以东营青坨滨海盐土种子际土壤细菌群落多样性较高。(2)不同类型土壤样本微生物群落结构在纲水平存在明显差异。4种土壤类型种子际土壤细菌共分属于6个菌纲,分别为Proteobacteria、Actinobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Acidobacteria和Firmicutes菌纲,并均以Proteobacteria和Actinobacteria菌纲为主要菌纲。全样本菌落结构分析结果表明,4种类型土壤中不同吸胀时间内种子际微生物菌落在门、属水平上的类型和丰度差异最为显著(P0.05)。(3)beta多样性分析和各样本遗传距离(phylogenetic distances)聚类树图分析表明,4个土壤类型的12个土壤样本种子际土壤中微生物群落均可聚为2大类。【结论】土壤含盐量越高其种子际土壤细菌群落多样性较高。不同类型土壤样本微生物群落结构在纲水平存在明显差异,以Proteobacteria和Actinobacteria菌纲为主要菌纲。种子吸胀萌发时间影响种子际微生物菌落在门、属水平上的类型和丰度,但对相同土壤类型样本间遗传距离无影响。     

Constitutive presence of antibiotic resistance genes within the bacterial community of a large subalpine lake

The fate of antibiotic resistance genes (ARGs) in environmental microbial communities is of primary concern as prodromal of a potential transfer to pathogenic bacteria. Although of diverse origin, the persistence of ARGs in aquatic environments is highly influenced by anthropic activities, allowing potential control actions in well‐studied environments. However, knowledge of abundance and space–time distribution of ARGs in ecosystems is still scarce. Using quantitative real‐time PCR, we investigated the presence and the abundance of twelve ARGs (against tetracyclines, β‐lactams, aminoglycosides, quinolones and sulphonamides) at different sampling sites, depths and seasons, in Lake Maggiore, a large subalpine lake, and in the area of its watershed. We then evaluated the correlation between each ARG and a number of ecological parameters in the water column in the deepest part of the lake. Our results suggest the constitutive presence of at least four ARGs within the bacterial community with a high proportion of bacteria potentially resistant to tetracyclines and sulphonamides. The presence of these ARGs was independent of the total bacterial density and temperature. The dynamics of tet(A) and sulII genes were, however, positively correlated with dissolved oxygen and negatively to chlorophyll a, suggesting that the resistant microbes inhabit specific niches. These observations indicate that the lake is a reservoir of antibiotic resistances, highlighting the need of a deeper understanding of the sources of ARGs and the factors allowing their persistence in waters.     

Temporal dynamics of soil bacterial network regulate soil resistomes

Soil bacteria are diverse and form complicated ecological networks through various microbial interactions, which play important roles in soil multi-functionality. However, the seasonal effects on the bacterial network, especially the relationship between bacterial network topological features and soil resistomes remains underexplored, which impedes our ability to unveil the mechanisms of the temporal-dynamics of antibiotic resistance genes (ARGs). Here, a field investigation was conducted across four seasons at the watershed scale. We observed significant seasonal variation in bacterial networks, with lower complexity and stability in autumn, and a wider bacterial community niche in summer. Similar to bacterial communities, the co-occurrence networks among ARGs also shift with seasonal change, particularly with respect to the topological features of the node degree, which on average was higher in summer than in the other seasons. Furthermore, the nodes with higher betweenness, stress, degree, and closeness centrality in the bacterial network showed strong relationships with the 10 major classes of ARGs. These findings highlighted the changes in the topological properties of bacterial networks that could further alter antibiotic resistance in soil. Together, our results reveal the temporal dynamics of bacterial ecological networks at the watershed scale, and provide new insights into antibiotic resistance management under environmental changes.     

Influence of a Non-Hospital Medical Care Facility on Antimicrobial Resistance in Wastewater

The global widespread use of antimicrobials and accompanying increase in resistant bacterial strains is of major public health concern. Wastewater systems and wastewater treatment plants are considered a niche for antibiotic resistance genes (ARGs), with diverse microbial communities facilitating ARG transfer via mobile genetic element (MGE). In contrast to hospital sewage, wastewater from other health care facilities is still poorly investigated. At the instance of a nursing home located in south-west Germany, in the present study, shotgun metagenomics was used to investigate the impact on wastewater of samples collected up- and down-stream in different seasons. Microbial composition, ARGs and MGEs were analyzed using different annotation approaches with various databases, including Antibiotic Resistance Ontologies (ARO), integrons and plasmids. Our analysis identified seasonal differences in microbial communities and abundance of ARG and MGE between samples from different seasons. However, no obvious differences were detected between up- and downstream samples. The results suggest that, in contrast to hospitals, sewage from the nursing home does not have a major impact on ARG or MGE in wastewater, presumably due to much less intense antimicrobial usage. Possible limitations of metagenomic studies using high-throughput sequencing for detection of genes that seemingly confer antibiotic resistance are discussed.     

武夷山常绿阔叶林土壤微生物多样性的季节动态

为了解武夷山自然保护区常绿阔叶林土壤微生物群落特征和季节变化,采用Illumina Miseq高通量测序技术分析了土壤微生物多样性的季节响应。结果表明,武夷山常绿阔叶林土壤为典型的南方酸性土壤,有效钾、土壤温度四季内存在显著差异,其他理化指标均无显著差异。土壤中的微生物多样性比较丰富,已鉴定出23门206属细菌和2门17属的古菌。夏季反映细菌总数的Chao指数最高,但反映细菌多样性的Shannon指数比春季低0.21,夏季古菌的Chao指数和Shannon指数分别比冬季高21.7%和0.27%。4个季节共有的细菌和古菌分别占总数的83.1%和70.0%,说明武夷山常绿阔叶林土壤不同季节的核心微生物组成具有很好的稳定性。在门和属水平的聚类树分析表明,春季和冬季的细菌和古菌群落组成最为接近,而夏季与其他3个季节的差异最大。冗余分析和热图分析结果表明,土壤p H是决定和影响细菌和古菌多样性的主要环境因子,有效钾、有效碳和总氮对微生物群落组成均有很大的影响。因此,随季节变化武夷山常绿阔叶林土壤微生物多样性呈现出规律性变化。     

柴达木盆地尕斯库勒盐湖区邻近水体对湖泊微生物群落的贡献

【目的】探究尕斯库勒盐湖生态系统中邻近水体对湖泊微生物的贡献。【方法】采集尕斯库勒盐湖区湖水、沉积物以及邻近的泉水、河水和盐田的水样,对其进行地球化学分析;通过16S rRNA基因的Illumina MiSeq高通量测序分析样品的微生物群落组成。【结果】尕斯库勒盐湖区水体和沉积物中的优势门是变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)和广古菌门(Euryarchaeota)。盐度和pH是影响尕斯库勒盐湖区群落组成的最主要环境因素。邻近水体对湖泊水体和沉积物的贡献分别为12.94%和7.53%。【结论】邻近水体对尕斯库勒盐湖微生物群落的贡献有限。     

温州市境内城市河流底泥氨氧化菌富集培养物微生物群落结构分析

【背景】城市河流底泥含有丰富的微生物资源,底泥表面更是硝化作用的主要位点之一,其表面微生物在河流生态系统氮的转化过程中发挥着重要作用。【目的】以温州市境内的城市河流水系温瑞塘河茶山段舜岙河和横江河的4条河道作为采样点,比较分析4种不同环境下城市河流表层底泥氨氧化菌富集培养物的微生物群落结构。【方法】通过野外采样及室内培养对底泥中氨氧化功能菌进行富集培养,采用高通量测序技术分析微生物群落的组成、丰度和多样性。【结果】富集培养后主要优势类群为变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)。4个样品共涉及氨氧化细菌3个属,分别为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus),涉及氨氧化古菌1个属为Nitrososphaera,其中所有样品均以Nitrosomonas为主。不同底泥富集样品氨氧化微生物可操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)组成存在明显差异,栽种有水生植物的河道底泥样品DA2具有最高的氨氧化细菌OTU数量和相对丰度,而存在生活餐饮污染的河道底泥样品DA4具有最高的氨氧化古菌OTU数量和相对丰度;相较于滞留水体,采自相对流动水体的富集样品DA2、DA4具有更高的氨氧化微生物OTU数量和相对丰度。【结论】阐述了4种不同环境下城市河流底泥氨氧化菌富集培养物微生物群落结构的多样性,确定了富集培养之后的优势类群,为氨氧化微生物培养源的选择提供了参考,也为城市河流底泥中氨氧化菌进一步的筛选分离及其生理生态特征的研究提供了科学依据。     

The biological and chemical contents of atmospheric particulate matter and implication of its role in the transmission of bacterial pathogenesis

Atmospheric particulate matter (APM) is an environmental hazard that endangers human health and causes a variety of diseases. In this work, the microbial community composition, chemical element composition and antimicrobial resistance gene (ARG) prevalence, along with their relationships with environmental parameters were analysed using APM samples collected in Jinan, China. Pathogenic Klebsiella and Aeromonas were found to be significantly correlated with PM_2.5 and temperature, suggesting their proliferation on APM. PM_2.5 and PM₁₀ have similar microbial community compositions but different chemical element compositions, suggesting they have different origins, which have little impact on microbial community structures. This finding, together with analysis of the timing of microbial community structure changes, suggests that microbial community composition is impacted by anthropic activities. Further investigations showed that rare metals including lanthanides are significantly negatively correlated with pathogens in APM, suggesting their inhibitory role. ARGs were observed for every class of antibiotic except for carbapenems in APM, suggesting high ARG prevalence in APM, and APM functions in transmission of antimicrobial resistance. Results obtained in this study suggest that APM can act as a transmission vehicle for pathogenic bacteria and ARGs and lead to the implication of a new transmission route for bacterial pathogenesis by APM.