近日，我院应光国教授团队抗生素耐药性研究小组白红、何良英、高方舟等人在环境与生态领域期刊Environment International上发表了题为“Airborne antibiotic resistome and microbiome in pharmaceutical factories”的研究性文章
图文摘要
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本研究通过宏基因组测序对三家大型抗生素制药厂不同功能区（厂区、污水处理区和居民区）的空气抗生素抗性组和微生物组进行了系统分析。研究显示，制药厂空气中含有多种临床重要抗生素抗性基因（ARGs）（vanR/vanS、blaOXA和CfxA）。污水处理区相较于厂区及居民区，其气载ARGs的相对丰度更高（0.64 copies/16S rRNA）。在检测到的所有气载ARGs中，约有28.2%的ARGs被质粒序列携带，而在污水处理区这一比例上升至约50%。贝叶斯溯源分析显示制药厂内土壤和污水处理区废水是气载ARGs的主要来源。此外，1,043个病毒操作分类单元（vOTU）及应对噬菌体感染的不同CRISPR-Cas系统在制药厂空气中被注释。最后本研究根据ARGs可移动性及潜在病原菌宿主，提供了一份制药厂气载高风险ARGs清单。本研究通过对三家大型制药厂空气的宏基因组分析，解析了制药厂气载抗生素抗性组和微生物组的分布特征，揭示了ARGs通过质粒及噬菌体的潜在传播途径，提供了制药厂气载高风险ARGs清单。
引言
抗生素耐药性是全球公共健康领域的重大挑战，而空气传播是ARGs在环境传播中一个重要但却未得到足够重视的途径。自抗生素广泛使用以来，抗生素活性药物成分（API）和制剂的产量大幅增加。以往的研究表明，抗生素制药厂是周围受纳水体和土壤环境中ARGs和耐药菌（ARB）的主要来源，但其在空气中的传播规律及其环境风险仍知之甚少。本研究结果有助于对遏制细菌耐药性蔓延提供科学依据，并提高人们对空气生物安全的意识。
图文导读
Figure 1. Profiles of airborne resistome and microbiome at pharmaceutical factories.
制药厂气载ARGs主要类别为氨基糖苷类和四环素类，气载细菌的主要类别为放线菌门和变形菌门。不同功能区气载ARGs分析显示，污水处理区显示出更高丰度的气载ARG。利用贝叶斯溯源分析表明，16.53-94.75%的气载ARGs来自制药厂土壤（14.10-67.24%）和污水处理区废水（2.43-75.06%），表明制药厂内各种环境介质抗性基因之间存在潜在的相互作用。
Figure 2. Profiles of airborne ARGs mobility potential.
本研究在制药厂空气中识别到28.20%的ARGs定位在质粒上(414/1468)，40.53%位于染色体(595/1468)。通过对插入序列（IS）的注释显示，与染色体相比质粒上携带的IS丰度更高。IS3，IS5和IS236家族是质粒上常见的IS类型，而与ARGs共定位频繁的IS类型为IS6家族。此外，噬菌体整合酶蛋白也可能参与ARGs在染色体和质粒之间潜在转移。
Figure 3. Hosts of airborne antibiotic resistance genes and CRISPR systems.
Figure 4. Overview of metabolic and antibiotic resistance potentials in bin.6_P3WA1.
宏基因组组装共获得80个高质量的宏基因组组装基因组(MAG)，在这些MAG中，共注释到38个CRISPR阵列，主要类别为I-C、I-B和III-D型。此外，我们还注释了这些MAG的质粒和病毒序列中的ARGs。9个MAG中鉴定出质粒序列携带的ARG，仅在1个MAG中鉴定出病毒序列携带的ARG。制药厂气载ARG的潜在水平转移可能以质粒介导为主，但病毒在其中的作用也不容忽视。我们重点关注注释到最多ARG的MAG的胞内基础代谢和抗生素抗性功能。外排泵和抗生素裂解酶共同赋予该MAG的抗生素耐药性（多药、氟喹诺酮类、β-内酰胺和氨基糖苷类）。细胞膜上携带的蛋白质分泌系统（IV型分泌系统），能够通过水平转移获取外界ARG（aph），利用Plascad对aph(6)的接合质粒图谱进行了可视化。
Figure 5. Profiles of airborne pathogens and virome in pharmaceutical factories.
为获取制药厂空气中病原微生物的分布特征，本研究从测序数据中提取了病原微生物的信息。研究显示污水处理区气载病原菌和噬菌体的相对丰度较高。总共鉴定了1,043个病毒操作分类单元（vOTU），其宿主包括细菌、真核生物和古细菌。进一步注释了由病毒组编码的ARGs，携带ARGs的病毒属于短尾噬菌体科、长尾噬菌体科和肌尾噬菌体科，值得强调的是，它们的宿主70%为人类关注的条件致病菌（如链球菌、分枝杆菌等）。
Figure 6. Airborne microbial risk and resistome risk.
研究筛选了制药厂空气高风险ARGs清单，其中27个ARGs被认为是制药厂中的高风险ARG（Risk I），14个ARGs被认为是核心高风险ARG（在所有药厂空气中均检出）。值得关注的耐药病原菌包括大肠埃希菌（Escherichia coli）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）、猪链球菌（Streptococcus suis）和肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae），携带aac(6)-I、aadE、ermT和tetM。
小结
本研究提供了制药厂空气抗生素抗性组和微生物组图谱。临床关注的ARGs和病原体在制药厂空气中广泛存在，气载ARGs的水平转移以质粒介导的转移为主，但噬菌体在其中的作用也不容忽视。制药厂的污水处理区是周边气载ARGs和ARB的主要来源。由于空气是一个动态生态系统，能够远距离传播并跨越地理障碍，因此其微生物组和抗性组与当地环境密切相关，考虑到空气中ARGs和ARBs的可传播性，与土壤和水相比，它对微生物生态系统的潜在环境影响范围可能更广。总体而言，这项研究证明了空气在ARGs传播过程中的关键作用，强调了制药厂附近工人和居民的潜在健康风险，并需要对空气中的高风险ARGs进一步研究。
致谢
本研究获得国家重点研发计划项目（2020YFC1806901）、国家自然科学基金（NSFC42030703，U22A20604和U1701242）、国家资助博士后研究人员计划（GZC20230870）的支持。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2024.108639