第一作者：赵宇翔
通讯作者：胡宝兰
通讯单位：浙江大学
近年来，由于抗生素的滥用首先诱导动物体内产生抗生素抗性基因(Antibiotics resistance genes，ARGs)，从而加速了抗性基因在环境中细菌间的传播扩散，目前，抗生素抗性基因作为一类新型环境污染物，在不同环境介质中的传播、扩散可能比抗生素本身的环境危害更大。
2022年10月2日，浙江大学环资学院胡宝兰团队在Bioresource Technology杂志上在线发表题为Microbial cooperation promotes humification to reduce antibiotic resistance genes abundance in food waste composting的研究论文，对食品垃圾堆肥中抗生素抗性基因（ARGs）变化进行全面的研究。研究结果表明，ARGs随时间的变化是由微生物之间的竞争与合作转化而引起的，深入分析发现微生物的竞争可能会增加ARGs的丰度。SEM分析表明腐殖化指标（GI）可用于表征微生物相互作用与ARGs的关系，如成熟堆肥（GI>92.6%）可降低ARGs流动的风险。
首先本研究中鉴定出与22种抗生素相关的412种ARGs，在堆肥的不同时期其丰度在169.7~1739.2ppm之间波动，呈现明显的先升后降的趋势（图1）。与多药外排泵相关的ARGs占主导地位，其平均丰度达到54.9%（图1c）。其次是与四环素（9.8%）、大环内酯类（8.4%）、氨基糖苷（4.7%）和杆菌肽（3.3%）的相关的ARG。此外，这些ARGs类型在所有时期的检测频率都是100%。详细地说，在第0、5、12、20、25天，与多药外排泵相关的ARGs占57.4%-65.6%，它们是这些时期的主要ARGs。
图1. 堆肥样本的ARGs检出概况。a: ARGs的丰度（ppm）；b: ARGs的丰度（copies/16S copies）；c: ARGs类型的丰度比例
另外为了探讨微生物群落的潜在相互作用和演替过程，作者构建了不同时期的属水平的网络图（图2），根据网络图分析可以将分成两组，分别是ARGs增加组（AI）和ARGs减少组（AD）。AI主要在堆肥升温期ARGs丰度持续增加，而AD是在堆肥高温期、冷却期和腐熟期ARGs丰度持续减少，且AI组的网络复杂程度是AD组的1.8倍以上（图2.a）。这一结果暗示了微生物之间合作可能是降低ARGs的关键因素之一。进一步本研究还识别了与其他微生物可能会发生潜在互作关系的关键属。
图2. 不同堆肥时期的微生物潜在相互作用。a:AI组与AD组的聚类热图；b:相关性分析；c:AD组的关键菌属；d:关键菌属与其他菌属的关系
同时研究进一步探明了微生物相互作用、腐殖化和ARGs丰度之间的关系，结果表明微生物合作可能会通过增强腐殖化减少ARGs的丰度。进一步本研究收集了在线数据证明所得到的腐殖化和ARGs之间的相关性，结果表明表征腐殖化指数的种子发芽率与ARGs绝对含量和相对含量都呈现显著负相关。经过堆肥后的厨余垃圾所含抗性基因丰度和风险都小于土壤本地值，表明了堆肥可以有效降低厨余垃圾中ARGs风险。
图3. 腐殖化与ARGs丰度之间的关系。a:SEM模型分析；b:VPA分析；c:GI与ARGs（copies/16S copies）关系分析；d:GI与ARGs（copies/DM）关系分析
结果表明，ARGs的丰度和多样性都呈现先增后减的趋势。在ARGs增加期间，可以观察到密集的微生物拮抗作用。同时，在ARGs减少期，合作达到了顶峰。因此，竞争和合作之间的转换可能是FW堆肥期间ARGs变化的原因。此外，影响微生物合作的关键菌属与腐殖化相关的菌属高度相关，腐殖化指数与ARGs丰度显著负相关。
该研究揭示了微生物合作可以加强腐殖化过程，减少ARGs丰度的作用。为有效遏制抗生素抗性基因在环境中的传播和扩散以及造成生态风险的问题提供了新的理论依据和解决思路。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852422011543?via%3Dihub