酸性矿山废水底泥中微生物耐药性基因持久性机理的研究

Microbial resistance to antibiotics is a major public health problem in China and in the world. It is traditionally believed that bacteria expressing resistance will have a certain fitness cost for itself, and thus reducing the use of antibiotics can effectively reduce microbial resistance. However, the fact is that the antibiotic resistance genes (ARGs) exist in a variety of antibiotic-free environments and have gradually become a new type of environmental pollutant. Studying the persistence mechanism of ARGs in environmental microorganisms is of great significance for understanding the expression and spread of ARGs, and the ultimate control of ARGs. Based on a variety of ARGs detected in AMD sediments, this project combines metagenomics and big data analysis to study the physical and biological factors that cause these ARGs to exist in the AMD sediments. Moreover, with a focus on the corresponding ARGs of the “last resort antibiotics”, we apply long term evolution experiments on antibiotic-resistant isolates from the sediments, and we combine whole genome sequencing and transcriptome analysis, for the purpose of revealing the persistence characteristics and mechanisms of these ARGs at the gene and expression levels. This project not only broadens the overall understanding of the persistence mechanisms of environmental microbial ARGs, but also provides valuable information for the future propagation trends of specific ARGs with important clinical significance.

微生物对抗生素的耐药性是全球面临的重大公共健康问题。传统认为细菌表达耐药性会对自身产生一定的生物适用性消耗，因而减少抗生素的使用能够有效降低微生物的耐药性，然而事实是细菌的耐药性基因（antibiotic resistance gene，ARG）在多种无抗生素的环境中存在，并逐渐成为一个新型的环境污染问题。研究ARG在环境微生物中的持久性机理对深入了解ARG的传播以及最终控制有着重要的意义。本项目从AMD底泥中探测到的多种ARG出发，结合宏基因组和大数据分析手段研究AMD底泥环境中导致ARG大量存在的环境因素；并针对“最后一线抗生素”的ARG，使用单菌多代进化培养实验，结合基因组和转录组的分析，在基因和表达层面揭示这些ARG在AMD底泥细菌中的持久保留特性和机理。本项目不仅能够拓宽对环境微生物ARG存在机制的整体了解，还能对具有重要临床意义的特定ARG的未来传播趋势提供有价值的参考。

微生物对抗生素的耐药性是全球面临的重大公共健康问题。重金属对微生物的抗生素耐药基因的传播起到重要的共选择作用，而重金属富集的矿山环境（如酸性矿山废水，尾矿等）中微生物抗生素耐药基因的污染特征与具体影响因素目前尚不清楚；此外，消除重金属与其他极端理化因子的生存胁迫后矿山环境微生物是否能长久保存耐药基因，这一科学问题也尚未得到解答。研究耐药基因在矿山环境微生物中的传播扩散，以及修复后温和环境下的微生物对耐药基因的保留特性与机理，对深入了解耐药基因的传播以及最终控制有着重要的意义。. 本项目首先揭示了全球矿山环境是抗生素耐药基因的富集地。通过整合采自全国范围内39个矿区的115份尾矿样品和20个矿区的91份AMD底泥样品，结合从公共数据库收集到的全球范围内七个国家共16个矿区的66个矿业废弃物的宏基因组，首次揭示矿山环境一致呈现出抗生素耐药基因富集趋势，其抗生素耐药基因丰度与未处理的城市废水中抗生素耐药基因丰度相当；发现矿山环境抗生素耐药基因的富集主要受到重金属污染选择驱动形成，并具有高度移动潜力。此外，本课题组同时从酸性矿山废水底泥中完成了一千七百多个好氧菌株的分离纯化，发现这些菌对卡那霉素、氨苄青霉素、氯霉素和四环素呈现出极高的耐药表型，其最小抑菌浓度能达到典型病原菌的10-1000倍。. 其次，本项目揭示高强度的水平基因转移导致矿山环境抗生素耐药基因的传播扩散，在温和环境下矿山环境细菌倾向丢失抗生素耐药基因。以修复样地作为丢失重金属、寡营养、酸性胁迫压力的温和控制环境，对温和控制环境和矿山污染环境样品分别进行宏基因组分析，阐述了耐药基因主要由有限种类的高移动性的基因亚型转变为高多样性的低移动性微生物固有耐药基因亚型的过程，并阐明基因移动特性的丢失为温和环境下微生物丢失耐药基因的主要途径。本项目的研究结果能为矿山环境耐药基因相关的风险评估、监测与管控提供科学支持。