《Bioresource Technology》：Xenobiotic degradation promotes enrichment but not dissemination of antibiotic resistance genes in activated sludge
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中药废水中抗生素耐药基因的传播机制研究：通过构建包含22条外源污染物降解途径的XDG数据库，分析30,000余份全基因组数据，发现假单胞菌门与弯曲菌门中存在广泛共现的降解基因与耐药基因。代谢组学分析表明芳香族化合物降解模块与内源耐药基因呈强正相关（皮尔逊相关系数>0.8），但质谱验证显示携带XDGs的宏基因组中水平转移事件仅占30.9%。实验证明高降解能力的假单胞菌菌株携带内源耐药基因而非可移动遗传元件。研究表明外源污染物降解通过改变微生物群落结构富集耐药基因，而非增强基因转移能力，提示环境风险评估需结合群落动态分析。
尹子瑞|马家琛|边若萱|王一然|张高潮|马彦彦|张旭翔|叶琳
中国南京大学环境学院水污染控制与绿色资源循环利用重点实验室，南京210023
摘要
活性污泥在废水处理生物反应器中对外来物质的降解起着关键作用，但同时也被认为是抗生素抗性基因（ARGs）传播的热点。然而，目前尚不清楚污染物降解本身是否也会创造有利于ARG传播的条件。为了解决这个问题，我们开发了一个涵盖22条降解途径的外来物质降解基因（XDG）数据库。利用该数据库，我们分析了超过30,000个完整的细菌基因组，发现ARGs和XDGs在假单胞菌门（Pseudomonadota）和弯曲杆菌门（Campylobacterota）中普遍共存。对119个活性污泥样本的宏基因组分析进一步显示，XDG与内在ARGs之间存在强烈的正相关性（皮尔逊相关系数r > 0.8），尤其是参与芳香环裂解的模块与ARGs的相关性最高。然而，在携带XDGs的宏基因组（MAGs）中，只有30.9%的ARG-HGT事件被检测到，且基因组水平的邻近性分析表明这类微生物并未表现出更高的水平转移潜力。基于培养的实验表明，具有高降解能力的假单胞菌菌株携带的是内在而非可移动的ARGs。综合这些结果表明，外来物质降解主要通过改变微生物群落组成来促进ARG的富集，而不是通过增强基因的移动性；这表明仅基于ARG丰度进行的环境抗性评估可能存在误导性，未来研究应避免这种误解。
引言
抗生素抗性的全球传播引发了严重关切，因为它对生态可持续性和人类健康构成了威胁。细菌通过基因突变或通过垂直或水平基因转移（HGT）获得抗生素抗性基因（ARGs）来发展抗性。特别是HGT因其能够实现远距离转移而受到研究人员的关注（Andersson和Hughes，2014）。为缓解由ARGs及其传播带来的潜在危机，人们努力限制抗生素的使用，但已有证据表明，ARGs的传播不仅可以通过抗生素加速，还可以通过非抗生素化学物质（包括重金属（Liu等人，2022a）、消毒剂（Zhang等人，2023）、微塑料（Pham等人，2021）和非抗生素药物（Shi等人，2022）以及芳香化合物（Xia等人，2019）等物质加速。虽然共选择机制可以清晰解释这些化合物如何富集ARG并促进其传播，但有机污染物具体如何促进ARGs传播的途径仍知之甚少（Shi等人，2022）。
在各种环境中都观察到了复杂有机物质降解基因与ARGs的共存现象，包括废水处理生物反应器中的细菌（Xia等人，2019）以及地铁站内的空气、扶手和地板上的细菌（Harnpicharnchai等人，2024）。此外，有研究表明有机肥料会在全球土壤微生物组中共同选择遗传相关的ARGs（Liu等人，2024）。含有大量外来污染物的废水处理厂（WWTPs）及其生物反应器中的多样化微生物群落被认为是ARGs传播的热点。研究人员发现，诸如乙苯、三氧甲基和酚类化合物等外来物质可以增加ARGs的丰度，并通过RP4质粒加速ARGs的水平转移（Jiao等人，2017；Ma等人，2021）。然而，由于质粒传播的系统发育障碍，只有少数细菌物种携带相同的质粒（Munck等人，2015）。由于活性污泥中的微生物可以通过酶降解外来物质，如果ARGs和外来物质降解基因（XDGs）位于同一质粒上，或者能够降解外来物质的微生物中的ARGs与可移动遗传元件（MGEs）具有遗传联系，那么接触外来物质可能会同时激活外来物质降解途径并促进微生物群落内的抗生素抗性水平转移。然而，微生物群落中XDGs和ARGs的共存情况仍不明确，目前尚不清楚外来污染物的存在及其降解基因是否与ARGs的水平转移概率增加有关。
由于缺乏一个公开且全面的外来化合物降解基因序列数据库，我们利用KEGG数据库中的“外来物质生物降解与代谢”和“芳香化合物降解”途径的信息（Kanehisa和Goto，2000），并从Swiss-Prot数据库（UniProt-Consortium，2025）中提取了经过审核的氨基酸序列，构建了一个定制的外来物质降解基因数据库。其次，收集了大量活性污泥的完整基因组和宏基因组，以确定ARGs和XDGs在废水处理厂中的全面关联性和相关性，包括它们的遗传共存情况以及ARGs在外来物质降解微生物中的水平转移潜力。最后，我们实验室的降解相关细菌被用来验证我们的研究结果。总体而言，生物信息学分析和降解细菌实验提供的背景信息有助于理解外来物质降解在废水处理系统中ARGs出现和传播中的作用。
数据库构建
构建XDG数据库的工作流程如图1所示。以KEGG数据库中的“外来物质生物降解与代谢”和“芳香化合物降解”途径为基础（Kanehisa和Goto，2000）。首先，识别出22条途径，并提取了每条途径中功能同源物的K编号。随后，获取了与这些K编号相关的酶分类（EC）编号和基因符号。
XDG数据库的构建
为了便于对微生物的外来物质降解能力进行功能分析，本研究开发了一个包含5,005个经过验证的氨基酸序列的XDG数据库。XDG数据库中的基因信息，包括K编号、EC编号、基因符号、基因名称以及相应的降解模块和途径，在补充材料中有详细描述。这些序列根据KEGG分类被归类为22条代谢途径和18个降解模块。
结论
本研究调查了废水处理系统中XDGs与ARGs之间的关系，重点关注它们的共存情况和水平转移潜力。基因组和宏基因组分析显示，XDGs与ARGs在假单胞菌门中频繁共存，且XDGs与内在ARGs的关联比与可移动ARGs的关联更强。一些芳香化合物降解模块与ARGs的丰度呈正相关；然而，HGT风险并未显著增加。
未引用的参考文献
Ma等人（2025）。
CRediT作者贡献声明
尹子瑞：撰写——初稿、可视化、方法学、正式分析、数据管理。马家琛：验证、正式分析。边若萱：可视化、验证。王一然：验证、数据管理。张高潮：正式分析、数据管理。马彦彦：可视化、数据管理。张旭翔：概念构思。叶琳：撰写——审稿与编辑、方法学、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2022YFA0912500）、国家自然科学基金（52270040）和江苏省研究生研究创新计划（KYCX25_0355）的财政支持。
