地下小鬼：养殖环境地下水不动杆菌耐药性风险
华南师范大学环境学院应光国团队高方舟、何良英等人有关养殖环境地下水中不动杆菌耐药性的最新研究成果发表在Nature子刊ISME Communications（DOI: https://doi.org/10.1038/s43705-023-00240-w）。
图文摘要
成果简介
研究利用宏基因组测序结合细菌药敏试验，调查了我国华南养殖村井水地下水中不动杆菌（Acinetobacter）的物种分布、耐药基因组与耐药特征，以及致病菌物种组成。研究发现，相比于非养殖村，养殖村养殖场和部分居民区的地下水中抗生素耐药基因组和不动杆菌的相对丰度较高。不动杆菌携带的耐药基因占受影响地下水中总耐药基因组的95.7%，这些固有和获得性耐药基因可对多种抗生素类别产生耐药性。宏基因组分箱发现，一些非鲍曼不动杆菌物种（non-baumannii Acinetobacter），例如A. oleivorans, A. beijerinckii, A. seifertii, A. bereziniae和A. modestus具有多重耐药和致病潜力，并且在地下水中的丰度较高。细菌药敏试验发现，不动杆菌对多种临床常用（磺胺甲恶唑、喹诺酮类和四环素类）和最后一道防线抗生素（多粘菌素类和替加环素）耐药，且存在种间差异。本研究结果突出了耐药致病不动杆菌在养殖环境地下水中的传播扩散风险。
引言
不动杆菌是一类革兰氏阴性、非发酵的短杆状细菌，因其具有多种致病机制、抗生素耐药机制和易发生基因突变的基因组，已经成为一类重要的条件致病菌。临床分离的不动杆菌对绝大多数常用的抗生素耐药，严重阻碍了对其感染的治疗。为此，WHO建议对饮用水中不动杆菌的含量进行常规监测，CLSI也制定了针对不动杆菌的抗生素敏感性测试规范。以往有研究报道了耐药不动杆菌存在于养殖动物粪便以及受养殖影响的土壤、地表水环境中，但养殖环境地下水中不动杆菌的分布和耐药性鲜有研究。团队前期研究发现，养殖村中大量的养殖场分布可造成附近地下水中抗生素和耐药基因污染，还会增加地下水中不动杆菌的丰度，相关性分析发现，不动杆菌与耐药基因和可移动遗传元件之间存在显著相关，是潜在的耐药菌群（研究成果发表在环境领域期刊Environment International上，https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105484）。故本研究在此基础上，利用高通量测序和细菌培养方法深入分析不动杆菌的抗生素耐药性，旨在提高对养殖环境不动杆菌耐药性的认识。
图文导读
所有地下水中共检出485种耐药基因，主要涉及多药类、四环素类和氨基糖苷类耐药（图1）。养殖场和部分居民区地下水中耐药基因的相对丰度明显高于对照村。其中212种耐药基因只在养殖村地下水中检出。同时，不动杆菌在养殖场和部分居民区地下水中的占比高达95.7%，是主要的细菌类群。
图1. 地下水中耐药基因和细菌群落组成。
基于contig分析发现（图2），不动杆菌是地下水中99种耐药基因的宿主，占总耐药基因组的95.6%。主要的宿主物种有A. baumannii、A. pittii、A. johnsonii、A. seifertii和A. junii。抗生素外排、抗生素失活和抗生素底物替换是主要的耐药机制，四环素类和氟喹诺酮类抗生素是主要的耐药类别。
图2. 不动杆菌携带的耐药基因类别。
共检出70条携带获得性耐药基因的contig，其中30条可能由不动杆菌携带（图3）。携带替加环素耐药基因tet(X3)和tet(X6)的重叠群在富含不动杆菌的地下水中丰度较高，且基于数据库比对发现，它们可分布在多个不动杆菌物种。此外，一些耐药基因与可移动遗传原件共同定位在同一contig，存在水平转移可能。
图3. 不动杆菌携带的获得性耐药基因组成。
宏基因组分箱共获得26个不动杆菌的基因组，其中15个可分配到已知物种（图4）。它们是地下水中最主要的多重耐药细菌，同时携带大量的可移动遗传元件，其中A. oleivorans、A. modestus和A. bereziniae携带的耐药基因最多。不动杆菌基因组共检出99种毒力基因，可产生14种毒性因子，A. beijerinckii和A. bereziniae携带的毒力基因最多（图5）。总体而言，A. oleivorans、A. bereziniae、A. modestus和A. beijerinckii携带较多耐药基因和毒力基因，同时在地下水中的丰度较高，存在较高的环境风险。
图4. 不动杆菌基因组特征。
图5. 不动杆菌潜在毒力机制。
从养殖村地下水中共分离到341株不动杆菌，抗生素药敏试验发现，它们对磺胺甲恶唑、左氧氟沙星、加替沙星、环丙沙星、四环素和多西环素的耐药率较高；对氨苄西林和妥布霉素耐药率较低；没有菌株对庆大霉素和美罗培南耐药。替加环素对87.1%的菌株的MIC值低于0.25 μg/mL，另有14株菌对其耐药（MIC = 1 μg/mL）。菌株对粘菌素E和多粘菌素B的耐药率分别为24.1%和31.7%。PCR实验和基因组测序分析发现，肽聚糖合成通路基因（pmrABC、lpxACD和lpsB）序列或结构的改变可能是其对多粘菌素耐药的主要机制。
图6. 不动杆菌分离菌株的物种组成及其抗生素耐药性。
结论
本研究在养猪场和周边居民区地下水中发现了大量抗生素耐药不动杆菌。与临床上鲍曼不动杆菌相比，养殖环境地下水中存在更多的风险物种。复杂的固有和获得性耐药机制赋予不动杆菌对多种临床常用和最后一道防线抗生素的耐药性。同时，多样的毒力机制可提供不动杆菌入侵人体和生态竞争的优势。建议未来的研究中在更大尺度上调查地下水中不动杆菌的耐药性，并基于“One Health”方法评价多重耐药致病菌的公共健康风险。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（NSFC 42030703、U1701242和42177226）、国家重点研发计划（2020YFC1806901）、中国博士后科学基金（2022M711215）以及广东省基础应用研究基金（2019A1515110131）的支持。同时感谢参与野外采样的团队成员和两个村委会的支持。
文章引用: Gao, FZ., He, LY., Chen, X., et al. Swine farm groundwater is a hidden hotspot for antibiotic-resistant pathogenic Acinetobacter. ISME COMMUN., 3, 34 (2023). https://doi.org/10.1038/s43705-023-00240-w