探秘波罗的海抗性组：环境因子如何左右抗菌耐药性？

时间：2025年4月8日

来源：Microbiome

编辑推荐：

抗菌耐药性是全球健康难题，环境在其产生与传播中作用关键。为明晰环境因子、微生物群落与耐药机制关系，研究人员分析波罗的海 59 个监测站底栖沉积物宏基因组。结果显示，盐度和温度是影响抗性组多样性和分布的主要因素。该研究为水生生态系统抗菌耐药性管理提供重要依据。

在全球范围内，抗菌耐药性已成为严重威胁人类健康的重大问题。想象一下，曾经那些能轻松对抗病菌的抗生素，如今却在一些耐药菌面前 “败下阵来”，这背后的原因错综复杂。环境在抗菌耐药性的产生和传播过程中扮演着极为关键的角色，但目前人们对于环境因子、微生物群落以及耐药机制之间的关系，仍知之甚少。比如，在复杂的水生生态系统中，到底是哪些环境因素在主导着抗菌耐药性的发展？不同区域的抗性组（resistome，即环境中所有耐药基因的集合）又有怎样的差异？这些问题亟待解决，因为它们对于理解抗菌耐药性的传播规律、制定有效的防控策略至关重要。

为了深入探究这些问题，来自瑞典斯德哥尔摩大学（Stockholm University）的研究人员开展了一项针对波罗的海的研究。波罗的海是一个独特的半封闭沿海生态系统，拥有明显的环境梯度，这使其成为研究环境抗性组与微生物群落相互作用的理想场所。研究人员分析了波罗的海底栖沉积物的宏基因组数据，旨在描绘其环境抗性组特征，并评估环境梯度和空间变异性对其的影响。相关研究成果发表在《Microbiome》杂志上。

在这项研究中，研究人员用到了多个关键技术方法。首先是样本采集，2019 年 5 - 6 月，他们从波罗的海北部到南部的 59 个监测站采集了底栖沉积物样本。接着是宏基因组学分析，对样本进行总基因组 DNA 提取和测序，随后运用一系列生物信息学工具处理原始测序数据，包括去除接头序列、质量过滤、去除污染序列等。此外，还利用不同的数据库和算法注释抗菌耐药基因（antimicrobial resistance genes，ARGs）、金属抗性基因（metal resistance genes，MRGs）、移动遗传元件（mobile genetic elements，MGEs）和毒力因子基因（virulence factor genes，VFGs），并通过多种统计分析方法探究它们之间的关系以及与环境因子的关联。

下面来看看具体的研究结果。

波罗的海底栖生态系统的环境抗性组概况：研究发现，预测的抗菌耐药谱包含 26 种 ARG 类型和 378 种亚型。多药耐药是最主要的 ARG 类型，北部地区的基因丰度较高；而死区和南部地区的预测 ARG 多样性较低，且南部地区糖肽耐药基因的丰度有所增加。从区域来看，波的尼亚湾（Bothnian Bay）、波的尼亚海（Bothnian Sea）、斯德哥尔摩（Stockholm）和南曼兰（Sörmland）的 ARG 谱相似。通过对 ARG 的 α 多样性分析发现，Chao1 丰富度和 Shannon 多样性从北向南呈下降趋势，Pielou 均匀度则显著增加。主坐标分析（Principal Coordinate Analysis，PCoA）显示，不同区域的抗菌耐药组成存在差异，其中南部波罗的海和部分死区样本与其他样本分离。
底栖微生物组成和功能遗传元件：研究人员利用 mOTUs 分析工具鉴定出 4,584 个 mOTUs，分属于 319 个科和 47 个门，其中变形菌门（Proteobacteria）最为丰富。不同区域有 47 种物种的丰度存在显著差异。此外，还鉴定出 167 个 MRGs、512 个 MGE 基因和 195 个 VFGs。MRGs 主要与重金属抗性相关，MGEs 和 VFGs 在不同区域也呈现出显著的组成差异。
环境抗性组的驱动因素和共现模式：研究发现，预测的 ARG、微生物群落、MRG、MGE 和 VFG 谱在 1,150 km 的距离上均呈现出显著的距离衰减关系。PLS - PM 分析表明，微生物群落对 MGEs 有显著的直接影响，对预测的 ARGs 有中等程度的直接影响，同时与 MRGs、VFGs 存在复杂的相互关系。Procrustes 分析和 Mantel 检验进一步证实了预测的 ARG 组成与微生物群落、MGEs、MRGs 之间存在显著相关性，而与 VFGs 的相关性较弱。
环境梯度对波罗的海抗性组的影响：通过 Pearson 相关性分析、广义相加模型（Generalized Additive Model，GAM）和距离冗余分析（distance - based redundancy analysis，dbRDA）等方法发现，盐度、温度、C/N 比和 δ¹³C 等环境因素对预测的 ARG 多样性、丰富度和组成有显著影响。盐度是影响 ARG 组成的最重要变量，与多种 ARG 类型呈强正相关；温度与多数主要的 ARG 类型呈显著正相关。

综合上述研究结果，研究人员得出结论：盐度和温度是影响波罗的海不同地理区域 ARG 多样性和分布的主要环境因素，营养物质的可利用性进一步塑造了这种分布模式。微生物群落、抗性和相关功能基因之间存在复杂的相互作用，微生物和 MGE 的组成在 ARG 分布中起重要作用。这一研究成果对于理解复杂水生生态系统中抗菌耐药性的动态变化具有重要意义，为制定合理的抗菌耐药性监测和管理策略提供了科学依据。同时，研究也指出，未来还需进一步研究这些关系背后的机制，以及气候变化和人类活动对水生生态系统抗性组的影响，从而更好地应对抗菌耐药性这一全球性挑战。