西湖大学环境微生物组与生物技术实验室针对城镇污水处理厂中的抗性基因展开了调研，该研究通过基于基因组解析的绝对定量宏转录组(Genome-resolved quantitative metatranscriptomics)的前沿宏组学分析方法，深入探究了抗性基因及其宿主细菌在污水处理过程中的分布和表达情况，发现潜在致病菌和土著反硝化菌是污水处理厂中抗性基因的活跃表达者。
鞠峰科研团队的此项研究成果于7月20日在环境领域顶刊《Environmental Science & Technology》上发表，西湖大学2019级博士研究生袁凌为第一作者，西湖大学工学院特聘研究员鞠峰为通讯作者。该研究同时获得了国家自然科学基金青年项目的资助。
污水处理厂是抗性基因的汇聚地和中转站
抗生素是由微生物分泌的能够抑制或杀死其他微生物的一类化学物质，在临床上广泛用于治疗细菌感染性疾病。然而，由于抗生素的广泛使用甚至滥用（例如：养殖业），导致部分致病细菌获得了耐药性，能够在抗生素存在的情况下继续生长和繁殖，使得原本通过抗生素治疗可以治愈的疾病重新成为了“无药可医”的难题。
目前，全球抗生素耐药性问题已十分严重，是全球公共卫生安全面临的一项严峻挑战，抗生素的环境污染与生态毒性近年来也引起了日益广泛的关注。细菌的抗生素耐药性通常由基因编码，相关基因称为抗生素抗性基因（ARG，antibiotic resistance gene）。
生活污水、预处理后的医院污水、抗生素制药厂废水等介质中的抗性基因最终会汇集于污水处理厂，经过各种物理化学与生物处理工艺后，仍会有少部分抗性基因残留于出水中并重新进入到水环境，存在耐药性传播的生态风险，污水处理厂也因此被视为抗性基因的汇聚地和中转站。
那么，污水处理厂中抗性基因的携带者是谁？它们在污水处理过程中扮演着怎样的角色呢？
图2 抗生素抗性基因在环境中的迁移途径
污水处理厂中携带抗性基因的宿主细菌信息
通过对瑞士的12家污水处理厂微生物组DNA和mRNA测序数据（或称：宏基因组和宏转录组）的生物信息学分析与基因组学挖掘之后，鞠峰科研团队共恢复了248个独特、高质量的基因组草图，发现其中有65%的基因组草图编码了抗性基因，且有45%的基因组草图编码了多种类别的抗性基因，可能对多种抗生素具有耐药性。从抗性基因的类别来说，对杆菌肽、氨基糖苷、β-内酰胺类抗生素的抗性基因是最普遍的类型。
图3 恢复基因组草图中抗性基因的分布情况
在这些抗性基因宿主细菌当中，有一部分宿主被注释为条件致病菌，包括引发肠胃炎的气单胞菌属等，推测主要来自于污水处理厂服务地区居民的肠道菌群。这些潜在致病菌是污水处理厂中抗性基因的活跃表达者，它们在污水进水中具有很高的丰度和活性，且在出水中并未被完全除尽，存在人类通过污水或受纳水体等途径与致病菌接触后被感染的潜在风险。
另一类活跃的抗性基因宿主细菌是污水处理厂中土著的反硝化细菌，反硝化细菌是污水生物除氮工艺的执行者之一，通过反硝化作用将污水中的硝酸盐氮转化为氮气，达到去除氮营养元素，防止受纳水体富营养化的目的。此研究中发现有90%以上的反硝化细菌编码了抗性基因，考虑到污水处理厂中存在多种抗生素带来的选择压力，反硝化细菌携带抗性基因可能有助于它们在污水抗生素的选择压力下更好地生存。
图4 潜在致病菌和土著反硝化菌是污水处理厂中抗性基因的活跃表达者
目前，城镇污水处理厂设计主要针对生活污水中的有机污染物和营养元素等传统污染物进行去除，并没有针对抗生素和抗生素抗性基因的经济可行的处理措施。我们生活污水中残留的抗生素、抗性基因和抗性细菌会随着出水重新排放到环境中，存在耐药性传播的生态风险。
鞠峰科研团队的此项研究详细调查了污水处理厂中抗性基因宿主细菌的身份、分布、活性、功能等关键信息，首次解析了污水处理过程中抗生素耐药性和脱氮功能的交互作用。研究指出，污水处理的微生物群落中的病原菌和土著反硝化菌是抗性基因的主要宿主，且在污水处理过程中并未被完全去除。因此应对已处理的出水谨慎处置以免带来安全风险。
同时，此研究首次建立了基于基因组解析的绝对定量宏转录组的分析方法。该方法解决了此前广泛使用的仅基于重叠群对抗生素抗性基因进行研究所存在的准确识别宿主分类较为困难的问题，并结合绝对定量技术，定量检测了污水处理厂中抗性基因及其宿主在污水原位环境中的活性，而非仅停留在常规相对定量或DNA分析的水平，拓展了对于污水耐药组关键特征的认知。这项工作对未来城镇污水厂工程微生物组与抗生素耐药组的监控以及定量宏组学数据的标准化分析与深度挖掘具有指导意义。
实验室介绍
西湖大学环境微生物组与生物技术实验室（Westlake EMBLab）开展环境工程学与微生物学交叉学科研究，选取环境微生物组为主要研究对象，以群落结构功能解析、构建理论、功能调控为研究主线，发展微生物群落的定量宏基因组、定量宏转录组学、网络分析等方法，解密群落功能的构建原理，建立功能设计与调控方法，致力于通过环境学原理与生物学前沿技术与理论的交叉融合，为生态环境修复与资源化工程研究提供新技术和新视角。
EMBLab实验室主页: www.ju-emblab.com
EMBLab微信公众号名片如下：
EMBLab负责人简介
鞠峰，西湖大学研究员、博士生导师，环境微生物组与生物技术实验室（EMBLab）负责人，浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室副主任，中国工程院院刊《Engineering》编委、Cell Press旗下《The Innovation》青年编辑、《Environmental Science & Ecotechnology》青年编委、 Frontiers系列《Environmental Science》、《Microbiology》、《Bioengineering and Biotechnology》期刊编委与审稿编辑，曾担任加拿大自然科学与工程理事会（NSERC）国际评审专家，国际微生物生态学会 (ISME) 、国际水协会 (IWA)、中国环境科学学会等会员 (CSES)。2015年获香港大学工学博士学位，2015-2018年在瑞士联邦水科学与技术研究所 (EAWAG) 从事微生物生态与抗生素耐药方向博士后研究，2018年至今在西湖大学担任特聘研究员。鞠峰博士从事环境生物技术与微生物组学研究，曾获中国生态学会“水云天微生物生态青年科技创新奖-特等奖”（2018）、香港科学会“青年科学家奖”（2016）、香港大学“杰出研究型研究生奖”（2015）。目前参编“环境生物技术”主题英文专著章节2篇和“微生物组”主题中文专著章节5篇，在The ISME Journal、Environmental Science & Technology、Water Research、Science of the Total Environment等环境生态学与微生物学领域知名期刊发表学术论文40余篇，谷歌学术引用 3000余次。
