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浙江省农业科学院JHM:尽管抗生素生物修复成功,细菌接种后土壤抗性组仍持续扩张

  • 2026-10-11 08:25:42
浙江省农业科学院JHM:尽管抗生素生物修复成功,细菌接种后土壤抗性组仍持续扩张

使用四环素降解菌Glutamicibacter nicotianae OTC-16进行生物修复虽能加速土霉素(OTC)的消散,但会引发土壤抗性组的持续扩张,这种扩张主要由共携带的非靶标抗性基因(ARGs)而非四环素抗性基因驱动。

研究主要内容

▼ 摘要图

材料与方法

细菌菌株与土壤微宇宙实验:选用Glutamicibacter nicotianae OTC-16(CGMCC 15055)作为四环素降解菌,其基因组包含1条染色体和4个质粒。实验设置两种土壤:背景抗性组较简单的红壤(Soil A,含62-87个ARGs,酸性)和背景抗性组复杂的潮土(Soil B,含204-212个ARGs,近中性pH)。实验分为8周接种期(每周添加10 mg/kg OTC和/或约10⁷ CFU/mL的OTC-16菌液)和24周恢复期,设Control、+OTC、+Strain、+OTC+Strain四个处理,每个处理3次重复,土壤含水量维持在50%田间持水量。

高通量qPCR及数据分析:采用Wafergen SmartChip Real-time PCR系统,使用376对引物检测ARGs和移动遗传元件(MGEs)。ARGs相对丰度通过靶标基因拷贝数与16S rRNA基因拷贝数的比值计算,抗性组库大小为所有检测到的ARGs亚型相对丰度之和,库丰富度为通过质量控制的亚型数量。抗性组扩张以各处理ARGs(或MGEs)相对丰度总和与对照的比值表示,基因i对扩张的贡献按公式Ci=(Ai,trt - Ai,CK)/∑(Ai,trt - Ai,CK)计算(仅考虑Ai,trt > Ai,CK的基因)。

ARG稳定性及残留DNA持久性测试:通过连续传代实验(20次转移,设无抗生素、1 mg/L OTC、100 mg/L OTC三个处理)评估OTC-16中ARGs的遗传稳定性,采用平板计数法测定抗性表型稳定性,qPCR定量ARGs拷贝数。利用叠氮溴化丙锭(PMA)处理结合qPCR区分活性细胞DNA与残留DNA,残留DNA丰度为总ARGs丰度与活性细胞ARGs丰度之差,残留DNA比例为(总 - 活性)/总。

四环素降解菌基因组分析:系统检索获得26株四环素降解菌的全基因组序列,使用Mashtree构建系统发育树,ABRicate(80% identity和80% coverage)注释ARGs,ISEScan和IntegronFinder识别插入序列和整合子,Platon和oriTfinder2分析质粒及转移相关元件。

结果

接种引发土壤抗性组持续扩张:OTC-16在两种土壤中均加速了OTC的消散,但导致抗性组持续扩张,尤其是在背景抗性组简单的Soil A中。+OTC+Strain处理下,Soil A在恢复期16周时ARGs和MGEs相对丰度分别为对照的23倍和41倍,Bray-Curtis PCoA显示其抗性组组成与对照差异显著;而背景抗性组复杂的Soil B抗性组扩张较弱,但所有处理的抗性组结构改变均持续存在。

非靶标ARGs主导抗性组持续扩张:OTC-16基因组含9个ARGs和21个MGEs,包括靶标四环素抗性基因tet(33)和8个非靶标ARGs(如sul1、qacEΔ1等)。尽管存在OTC暴露,两种土壤中28个四环素ARGs池的丰度在16周时均净减少,tet(33)在8周内降至背景水平;而sul1、qacEΔ1等非靶标ARGs在接种处理中持续富集,成为抗性组扩张的主要驱动因素。Soil A的抗性组扩张主要由接种菌源的非靶标ARGs和相关MGEs(如IS6100、tnpA-2)驱动,Soil B则还涉及本土非四环素抗性组的增加。

接种菌定殖差异影响抗性组:通过菌株特异性染色体标记novel2追踪发现,OTC-16在Soil A中成功定殖,16周时占Glutamicibacter种群的50-59%,宏基因组测序显示其染色体和所有质粒均有覆盖;而在Soil B中未能持续定殖,16周时仅检测到质粒pGnD9(可能为本土共有移动元件)。偏最小二乘路径模型(PLS-PM)证实,Soil A中接种菌定殖对抗性组有显著直接和间接影响,而Soil B中抗性组扩张主要由其他机制驱动。

靶标与非靶标ARGs的差异化持久性:追踪5个质粒携带的ARGs发现,靶标ARG tet(33)和非靶标ARG cmx在两种土壤中迅速清除,而sul1、qacEΔ1、dfrA1等非靶标ARGs持续存在,24周时仍显著高于对照。连续传代实验表明,无抗生素条件下OTC-16的OTC抗性表型不稳定,10次转移后仅1.9%细胞保留抗性,tet(33)因IS6100相关缺失而丢失,而sul1等非靶标ARGs常被保留。16周时,sul1和qacEΔ1的残留DNA占比达71.3-81.7%,显著高于tet(33)和cmx(<3.5%)。

抗生素降解菌中ARGs携带的普遍性:对26株四环素降解菌基因组分析显示,ARGs携带普遍,平均含15个ARGs(中位数10)和31个MGEs(中位数16),除四环素相关ARGs外,多数菌株还携带非靶标ARGs,13株检测到质粒携带的ARGs,表明OTC-16的风险并非个例。

小结

研究发现,尽管抗生素降解菌(ADB)能有效去除土壤中的抗生素污染,但会通过共携带的非靶标抗性基因(ARGs)引发土壤抗性组的持续扩张,且这种风险在不同背景抗性组的土壤中表现各异。目标ARGs在抗生素选择压力去除后迅速清除,而非靶标ARGs因内在遗传稳定性及残留DNA的持久存在成为抗性组扩张的主要驱动因素。土壤背景抗性组的复杂性显著影响接种菌的定殖及抗性组扩张模式,背景简单的土壤中接种菌定殖成功且抗性组扩张更明显,背景复杂的土壤则可能通过刺激本土抗性组导致扩张。基因组分析表明,ADB携带多种ARGs是普遍现象,提示当前生物修复评估需兼顾降解效率与遗传后遗症。这些发现强调,未来ADB的筛选和应用需综合考虑其基因组背景、非靶标ARGs负担及土壤生态背景,以降低长期生态风险,为安全高效的抗生素污染生物修复策略提供了重要依据。

▼元哉生物联系方式:13063363072 

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