近日，华南师范大学环境学院应光国研究团队白红、何良英等人在《Journal of Hazardous Materials》上发表了题为“Phages and plasmids mediate antibiotic resistance gene transfer in urban airborne bacteria”的研究论文。该研究聚焦城市空气微生物，揭示了噬菌体与质粒在空气传播抗生素抗性基因（ARGs）中的协同作用。研究发现，医院、制药厂和交通枢纽等人类活动密集区域是空气抗性基因的重要来源，噬菌体和质粒通过介导水平基因转移推动耐药性在不同细菌类群间扩散。本研究为认识空气传播耐药性的形成机制及城市公共卫生风险防控提供了新的科学依据。
图文摘要
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本研究通过培养富集空气可培养细菌，系统解析了城市与郊区空气微生物中ARGs的组成特征及其传播机制。研究团队从医院、制药厂、火车站、中学、大学以及郊区鸡场和奶牛场等7类环境采集210份空气样本，重建获得931个宏基因组组装基因组（MAGs），其中95%以上携带至少一种ARG，共鉴定出8629个抗性基因，覆盖22类主要耐药类型和306个亚型，并伴随大量移动遗传元件和毒力因子，揭示了城市空气中潜在的高风险耐药菌群。比较不同环境发现，医院、制药厂和交通枢纽是空气抗性基因最重要的储库和扩散源，而学校及居民活动区耐药水平相对较低。通过构建水平基因转移网络，研究揭示ARG可在不同环境来源、甚至系统发育距离较远的细菌间频繁传播。进一步结合机器学习和因果推断分析表明，噬菌体是驱动ARG转移的核心因素之一，质粒在其中发挥协同增强作用，多种与噬菌体结构、宿主识别、裂解和DNA传递相关的功能模块显著促进了抗性基因扩散。该研究从基因组分辨率层面阐明了空气耐药性的动态传播机制，为环境监测和公共卫生风险防控提供了重要科学依据。
引言
抗生素耐药性已成为全球公共卫生面临的重大挑战，而空气传播途径在抗性基因扩散中的作用近年来逐渐受到关注。与水体和土壤相比，空气具有跨区域传播快、覆盖范围广的特点，但空气中抗生素抗性基因（ARGs）的真实来源、宿主及其传播机制仍缺乏系统认知。尤其是，噬菌体和质粒等移动遗传元件是否在空气微生物中驱动ARG的跨物种传播，目前尚缺乏基因组层面的证据。基于此，本研究以城市和郊区空气中的可培养细菌为研究对象，结合宏基因组分析、水平基因转移检测及机器学习方法，系统探究城市空气抗性基因的组成特征及其传播机制，为在“One Health”框架下评估空气耐药性风险提供科学依据。
图文导读
图1.空气微生物宏基因组（MAGs）的分析流程与特征概览
该研究从不同环境空气样本中重建获得931个高质量、非冗余MAGs，覆盖5个细菌门和112个属。共鉴定出8629个ARGs，隶属22类耐药类型和306个亚型，95.1%的MAG携带至少一种ARG，其中医院和畜禽养殖场样本中的检出率更高。多重抗性基因占比最高，其次为氨基糖苷类和MLS类抗性基因。同时，在MAGs中普遍检出移动遗传元件（MGEs）和毒力因子（VFs），主要包括整合/切除、复制/重组/修复及噬菌体相关元件。共有176个MAG同时携带ARGs和VFs，其中76个还携带MGEs，不同环境间这些高风险基因组合的分布差异显著。从丰度上看，畜禽养殖场的ARG-MAGs水平最高；在城市环境中，医院的ARG丰度居首，其次为高校、中学、火车站和制药厂。进一步风险评估表明，除养殖场外，制药厂、火车站和医院等城市空气环境同样富集可移动的耐药致病菌，表明城市空气既是ARG的重要储库，也是耐药性传播的潜在热点。
图2. MAGs中质粒与噬菌体相关序列的分类学与功能特征。
质粒和噬菌体相关序列在不同类型MAG中存在显著差异，其中同时携带ARG、毒力因子和移动遗传元件的MAG（ARG&VF&MGE）中占比最高（Wilcoxon检验，p < 0.001）。相关性分析表明，质粒和噬菌体丰度与ARG&VF&MGE-MAGs显著正相关，凸显其在耐药致病菌形成中的关键作用。不同环境中质粒和噬菌体分布差异明显：质粒在制药厂和鸡场最为丰富，而噬菌体在鸡场和医院中占比最高。分类学分析显示，97.6%的噬菌体序列隶属于Caudoviricetes，其主要宿主为不动杆菌属、假单胞菌属和芽孢杆菌属，其中前两者多为潜在致病菌。功能富集结果表明，质粒相关序列主要参与物质转运、蛋白代谢、重组过程及碳氮代谢，并直接携带抗性基因；噬菌体相关序列则主要富集于复制装配、DNA修复及CRISPR-Cas相关功能。
图3. 跨分类学与环境尺度的水平基因转移（HGT）事件特征解析
图4. 抗生素抗性基因（ARGs）的水平转移特征及其基因组定位解析
在空气MAGs中共鉴定出5785个水平基因转移（HGT）事件，主要发生于放线菌门、厚壁菌门和变形菌门。分析表明，制药厂、医院和火车站是ARGs向城市公共环境扩散的主要来源，而郊区畜禽养殖场的贡献相对有限。即使对不同环境中MAG数量进行归一化后，制药厂和医院仍表现出最高的HGT活跃度，火车站则同时具有较强的基因输入与输出能力，显示其作为基因交换枢纽的潜在作用。进一步分析发现，发生HGT的细菌基因组中噬菌体相关序列显著富集，且质粒和噬菌体介导的HGT事件随系统发育距离增加而显著增多，表明其可推动ARG跨属甚至跨门传播。在所有HGT事件中，共检测到51种ARG和9种毒力因子，其中部分ARG可实现跨目转移，且多涉及致病菌。基因组定位分析显示，跨目转移的ARG主要位于质粒或噬菌体相关序列上，凸显移动遗传元件在远距离耐药性传播中的关键作用。整体而言，这些结果揭示了噬菌体与质粒协同促进空气传播抗性基因跨系统发育扩散的机制，并进一步明确了城市高风险环境在耐药性传播中的核心地位。
图5. 基于机器学习模型预测噬菌体与质粒在水平基因转移（HGT）中的作用
基于噬菌体序列与HGT显著相关的现象，研究构建了多种机器学习模型，对2080对MAG（HGT与非HGT）进行预测分析。结果显示，除逻辑回归外，各模型预测性能均较高，其中梯度提升模型表现最佳（AUC = 0.89），表明噬菌体功能特征可有效预测HGT事件的发生。特征解释与因果推断结果一致指出，噬菌体结构与宿主附着、宿主裂解与DNA进入，以及DNA结合与调控相关功能模块是驱动HGT的核心因素，且这些功能在发生ARG转移的菌株对中显著富集。在模型中进一步引入质粒功能特征后，预测性能得到提升，说明噬菌体与质粒在HGT过程中具有互补作用。尽管噬菌体相关功能仍占主导，但质粒的复制、转座、转录调控及膜转运等功能同样对HGT具有显著贡献。基因组结构分析进一步验证了二者的协同机制：噬菌体序列常与质粒及其他移动元件共同转移，或以原噬菌体形式整合入基因组，从而促进抗生素抗性基因在不同细菌目之间的远距离传播。
小结
本研究表明，城市空气微生物群不仅是抗生素抗性基因的储存库，也是其主动扩散的重要枢纽。我们从代谢活跃的空气细菌中重建了931个非冗余的MAGs。结果显示，医院、制药厂和火车站是空气抗性基因（ARGs）的主要热点来源，而畜禽养殖场对城市抗性基因库的贡献相对有限。在这些MAGs中共鉴定出5785个水平基因转移（HGT）事件，揭示质粒和噬菌体可介导ARG在从属到门等广泛系统发育尺度上的传播。进一步结合机器学习与因果推断分析发现，噬菌体中与结构、宿主附着和裂解相关的功能模块是驱动HGT的关键因素，且噬菌体与质粒之间存在协同作用。总体而言，本研究从基因组分辨率层面证实了城市空气是抗生素耐药性的重要储库和传播通道，强调了在高风险城市环境中开展环境监测与针对性干预的必要性。
全文链接
Hong Bai, Liang-Ying He, Subhash Yadav, Fang-Zhou Gao, You-Sheng Liu, Hauke Smidt, Guang-Guo Ying*. Phages and plasmids mediate antibiotic resistance gene transfer in urban airborne bacteria. Journal of Hazardous Materials, 2026, 501, 140779. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.140779.