环境中抗生素与抗性基因组的研究
作者:ManBetX客户端网页版 发布时间:2021-08-02 02:24
本文摘要:漏 读书绝大部分抗生素原药及其新陈代谢产物转入土壤后不会很快与土壤再次发生吸附作用,之后的解吸过程不会必要要求其生物有效性。我们研究找到要解决问题抗生素的污染问题必须尤其注目抗生素残余带给的微生物的耐药性——抗生素抗性基因。 抗生素的发明者与用于是人类医学史上具备里程碑意义的成就。但是,随着抗生素的大量生产、用于、甚至欺诈,抗生素和抗性基因(耐药性)污染早已沦为一个全球性的环境身体健康问题。 抗生素耐药性是指微生物可以耐受性抗生素对其的诱导和丧命起到进而存活和交配。

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漏 读书绝大部分抗生素原药及其新陈代谢产物转入土壤后不会很快与土壤再次发生吸附作用,之后的解吸过程不会必要要求其生物有效性。我们研究找到要解决问题抗生素的污染问题必须尤其注目抗生素残余带给的微生物的耐药性——抗生素抗性基因。

抗生素的发明者与用于是人类医学史上具备里程碑意义的成就。但是,随着抗生素的大量生产、用于、甚至欺诈,抗生素和抗性基因(耐药性)污染早已沦为一个全球性的环境身体健康问题。

抗生素耐药性是指微生物可以耐受性抗生素对其的诱导和丧命起到进而存活和交配。抗生素和耐药性的污染是一个问题的两个方面,即抗生素的残余不会诱导自由选择抗性细菌,增进抗性基因的纵向移往,造成微生物耐药性的蔓延,而装载抗性基因的微生物蔓延到新的环境不会更进一步交配,并有可能通过基因纵向移往将抗性基因传送给病原菌,给人类身体健康带给灾难性的危害。目前,除了环境中背景水平的抗性基因外,主要有人类废气(医院和污水处理厂)、动物养殖和制药厂等几个来源。2011年世界卫生组织(WHO)在世界卫生日的主题是“抗生素耐药性:今天不采取行动,2020-03-10 将无药能用”,其数据表明,全球每年大约有44万个耐药结核病(MDR-TB)新的放病例,最少导致15万人丧生。

2015年5月WHO公布全球报告,敦促创建全球抗生素耐药性监测系统。之后,许多国际的组织和机构适当明确提出了行动方案,围歼抗生素耐药性的蔓延到,如二十国集团(G20)等。在2016年9月21日联合国大会第71次会议上,联合国各成员国接纳了抗生素耐药性高级别会议的政治宣言。这表明了联合国各成员国在防治后抗生素时代抗生素耐药性行动上的共识。

为此,联合国秘书长宣告正式成立联合国横跨机构耐药性协调组(IAGA)。为大力应付细菌耐药带给的挑战,提升抗菌药物科学管理水平,遏止细菌耐药发展与蔓延到,确保人民群众身体健康,增进经济社会协调发展,2016年国家公共卫生计生委等14部门牵头制订了《遏止细菌耐药国家行动计划(2016-2020年)》。世界上许多国家生产的抗生素大约一半都作为兽药和饲料添加剂等。动物摄取的抗生素大部分以原药或新陈代谢产物的形式经动物粪便和尿液转入土壤、水体,从而产生污染,并通过食物链对整个生态环境产生毒害,影响植物、土壤微生物和动物的长时间生命活动和功能。

更加相当严重的是,抗生素药物残余不会导致病原菌的耐药性减少,从而危害人类身体健康,减少人类疾病的化疗可玩性。绝大部分抗生素原药及其新陈代谢产物转入土壤后不会很快与土壤再次发生吸附作用,之后的解吸过程不会必要要求其生物有效性。我们研究找到要解决问题抗生素的污染问题必须尤其注目抗生素残余带给的微生物的耐药性——抗生素抗性基因。

以我国多处大型养殖场周边土壤作为研究对象,我们使用分子生物学手段积极开展四环素抗性基因的污染问题研究,找到抗生素的大量用于造成大型养殖场周边土壤中微生物抗性基因减少,说明了土壤中抗性基因与四环素等抗生素的残余呈圆形明显于是以涉及关系。成果公开发表在Environmental ScienceTechnology上,美国化学学会的化学和工程新闻专门展开了讲解,指出是“首次来自中国的关于农用抗生素和土壤抗性基因的研究成果,为政府在抗生素用于及产生后果方面的政策制订获取了建议”。由于抗性基因的多样性(数百个或更加多),传统的分子生物学技术(普通的定量PCR)无法理解环境中抗生素抗性基因的全貌。

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在2007年,我们幸运地为国际知名微生物生态学家James Tiedje申请人了中科院的爱因斯坦课教授计划,借以,Tiedje教授于2008年5月初到访,与我们积极开展了了解的学术交流。通过交流,我们商定使用高通量定量PCR技术研究环境抗生素抗性基因。经过更进一步改良和优化,我们的高通量定量PCR可同时检测244种抗性基因。

我们对国内三个大型养猪场的猪粪、猪粪生产的肥料以及施肥料后的土壤样品展开抗性基因分析,共计检测到149种抗性基因。这些抗性基因完全涵括了目前未知的绝大多数抗生素类型,即使一些并未在猪场用于的抗生素也检测到了适当的抗性基因(图1)。就抗性基因金属量而言,与不用于抗生素的对照猪粪样品比起,共计63个抗性基因明显富含,富含倍数中值为192,单个抗性基因的仅次于富含倍数平均2.8万倍。

猪粪生产的肥料中也某种程度检测到了多种类型和抗性机制的抗性基因,最低的富含倍数平均5.7万倍。研究同时还找到抗性基因的金属量与环境中抗生素和砷铜等重金属浓度皆呈圆形明显于是以涉及,解释砷铜等重金属和抗生素的填充污染可以减少环境中抗生素抗性基因的富含。该成果在PNAS上公开发表后获得国际同行和公众的普遍注目。

Nature专门报导和详尽辩论了我们的研究成果。其他许多国际媒体如New York Times, New Scientists 皆给与了报导。该论文在Web of Science 中选入低被谓之论文。污水和中水回用也是抗性基因传播的主要途径。

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为此,我们某种程度使用高通量定量PCR的方法,对中国7个代表性城市的公园土壤样品中的抗性基因展开分析,在所有的土壤样品中共检测到了147种抗性基因。与未用于再造水青草的公园对照土壤比起,共计105种抗性基因在再造水青草的公园土壤样品中有显著性富含,其中抗性基因总的富含倍数仅次于平均8655.3倍。

同时在再造水青草的公园土壤样品中检测到了4种转座酶基因,最低图1 抗性基因的检测数(A)以及有所不同种类抗性基因所占到的比例(B)的富含倍数平均2501.3倍。研究找到抗性基因与转座子酶基因金属量之间具备明显的于是以涉及关系,指出转座子有可能增进了抗性基因的传播。本研究说明了了再造水青草造成了城市公园土壤中抗性基因的富含。除了污水和中水,污泥作为污水处理系统的副产物,是环境中抗生素抗性基因的最重要存储库。

而日益发展的城市使得城市污水处理厂每天产生大量的剩下污泥,截至2015年我国已辟污水处理厂已多达3500座,每年产生大约3500万t污泥。肥料化处置是所指在微生物的起到下,将有机废弃物转化成腐殖质的过程,产生的肥料产品可用于土壤改良剂和肥料。

在肥料化过程中抗生素抗性基因是怎样变化的,微生物和抗性基因之间又有何关系?我们使用高通量荧光定量的方法研究了污泥肥料处理过程中抗生素抗性基因的特征变化,并且使用16S rRNA基因高通量测序法研究了肥料过程中微生物群落结构的变化。结果共计找到156种抗生素抗性基因和基因移动元件,并且在肥料的过程中,抗生素抗性基因的多样性和金属量都明显减少。

通过微生物群落结构的分析,找到肥料成熟期放线菌门细菌明显减少并占到主要地位,由于放线菌是土壤中抗生素的主要生产者,其本身也装载多种抗性基因,所以肥料过程中抗性基因的富含有可能是由于放线菌门的变化造成。更进一步分析找到微生物群落结构与抗性基因结构明显涉及,证明了肥料过程中微生物群落结构的构成变化是影响抗生素抗性基因变化的主要原因,这些结果公开发表在Environmental Science Technology (Su, et al ., 2015),目前也是Web ofScience 的低被谓之论文。我们通过污泥长年定位实验研究了污泥用药对于农田土壤抗性基因的影响,结果表明必要用药污泥或污泥肥料有可能在土壤中引进新的抗性基因(Chen, et al ., 2016)。

该论文在EnvironmentInternational 公开发表后被欧盟Science for Environment Policy提到并做到了详尽报导。最近我们使用该方法系统研究了我国河口湿地中抗生素抗性基因,说明了了抗性基因的产于与人类活动的密切关系,成果于2017年初公开发表于Nature Microbiology。我们在国际合作过程中创建一起的高通量定量PCR技术在环境抗生素抗性基因研究中充分发挥了最重要起到。

在此基础上,我们创建了高通量定量PCR测试研究平台,并且发展了针对生物地球化学循环涉及功能基因、环境中病原菌和粪源菌的具备自律知识产权的高通量芯片,为我们积极开展环境土壤学和环境生物学研究获取了强有力的平台。目前我们的平台也沦为国际合作的平台,每年来自美国、英国、澳大利亚、德国和以色列等的科学家和我们积极开展深度的合作研究。在抗生素抗性基因研究的基础上,我们阐释了人类活动微生物及其装载的基因在环境中迁入的影响,明确提出了微生物全球尺度的大规模迁移的模式。该论文于2017年9月15日公开发表在Science 上。

通过这项研究或这个科学故事,我们认识到:一项创新性的研究必须前沿的科学问题与方法手段的有机融合,同时环境领域的涉及研究必需面向现实社会。


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