宏基因组揭示煤矿来源酸性废水的抗性组特征

　　不同种类矿物开采活动都能产生极端酸性，富含多种重金属和高浓度SO42-的酸性矿山废水(AMD，acid mine drainage)。过去对AMD的研究主要集中在极端微生物的代谢特征以及处理工艺开发。金属和抗生素抗性基因共选择理论认为富含多种重金属的环境可能是抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes ARGs)的一个源。该假设被最近的一项全球范围的研究证实，发现不同金属矿来源的AMD具有相似的以多药抗性机制占主导的抗生素抗性组(antibiotic resistome)，且总的ARGs的相对丰度与城市污水中的相似但远高于淡水沉积物中的相对丰度。这些发现引起了人们的关注，即矿山开采活动产生的AMD可能引起ARG环境扩散的风险。
　　但是迄今为止相关研究主要集中在金属矿，对于煤矿这种非典型金属矿来源的AMD的抗生素和金属抗性组(metal resistance genes, MRGs)的调查未见报道。此外，现有研究多直接调查受矿山开采影响环境的抗生素和金属抗性组特征，而没有比较周围未受矿山开采影响环境的微生物抗生素和金属抗性组特征，这限制了对微生物抗生素和金属抗性组环境扩散风险的全面理解。此外，AMD 生态处理系统对微生物抗生素和金属抗性组的影响和去除效果也鲜有报道。因此作为最有前景的AMD处理方法之一，生态处理系统的抗生素和金属抗性组控制和去除效率也值得关注。
　　针对以上问题，中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室郝立凯研究员负责的地球微生物学课题组选择贵州某地废弃煤矿进行了详细研究。该煤矿废弃多年，每年有大量AMD从矿洞口沿着山坡流到山脚，威胁周围环境生态健康和城市水源安全。工程师在山脚修建了生态处理系统，专门用来处理AMD。研究者分别采集了山坡上受AMD影响的土壤样品以及周围未受AMD影响的土样样品，使用宏基因组技术对照研究AMD对土壤抗生素和金属抗性组的影响。另外，研究者从处理系统的不同处理单元收集水体环境微生物样品，利用宏基因组结合环境地球化学参数，研究该典型煤矿AMD的抗生素和金属抗性组特性，以及处理系统对抗生素和金属抗性基因组的处理效果及影响因素。
　　图1 AMD对土壤微生物抗性组特征的影响示意图
　　研究发现污染土壤和背景土壤都具有多药抗性机制占主导地位的抗生素抗性组，这可能归因于多药抗性机制相关基因具有抗酸、抗金属等多种功能。研究还发现AMD污染降低了土壤中ARGs的相对丰度，但增强了MRGs和移动元件(mobile gene elements, MGEs)的相对丰度。
　　与对照组相比，受AMD污染的土壤微生物群落中的能量代谢相关基因相对丰度有显著提高，这主要是由于物种之间的水平基因转移(horizontal gene transfer, HGT)所引起的，用于满足群落适应环境胁迫所需要的能量与物质代谢需求。这些发现为AMD的ARGs和MRGs环境扩散风险与控制提供了新的见解，相关成果以 Coal-source acid mine drainage reduced the soil multidrug-dominated antibiotic resistome but increased the heavy metal(loid) resistome and energy production-related metabolism 为题发表在近期 Science of the Total Environment 上。
　　同时，研究者发现在AMD生态处理系统中抗生素抗性组特征与土壤相似，也是以多药抗性机制类型占主导地位。相比之下，汞、铁和砷相关抗性基因主导的MRGs呈现高度多样化。生态处理系统对ARGs、MRGs和MGEs都具有明显的限制效果。相关性分析表明，MGEs对MRGs的驱动效应大于ARGs，这一结果与以上土壤抗性组分析结果相似，说明在金属胁迫下，群落更加频繁地通过水平基因转移的方式交换MRGs。
　　另外，基因组层面分析找到六个携带多种抗性基因的潜在病原菌。其中注释为假单胞菌属的一个基因组被发现对两种抗生素和多达12种重金属具有抗性。这说明含有多种抗性基因的潜在病原菌可能会随着AMD扩散到周边土壤和水体环境，引起携带ARGs的病原菌在环境中传播的风险。相关成果以 Metagenomic analysis characterizes resistomes of an acidic, multimetal (loid)-enriched coal source mine drainage treatment system 为题发表在近期 Journal of Hazardous Materials 上。
　　图2 AMD抗性组特征及处理系统对抗性基因的控制效果示意图
　　上述两篇论文均以中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室黄强博士为第一作者，中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室郝立凯研究员和中国科学院微生物所姜成英研究员为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金(91851206，41877400)，国家重点研发项目(2018YFC1802601)，中国科学院启动资金(2017-020)，中国科学院B类战略性先导专项课题(XDB40020300)和贵州省科学技术厅（E2DF028）等多项科研基金支持。
　　论文信息1：Huang, Q., et al. (2023). ＂Coal-source acid mine drainage reduced the soil multidrug-dominated antibiotic resistome but increased the heavy metal(loid) resistome and energy production-related metabolism.＂ Science of the Total Environment: 162330.
　　论文链接1：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162330
　　论文信息2：Huang, Q., et al. (2023). ＂Metagenomic analysis characterizes resistomes of an acidic, multimetal(loid)-enriched coal source mine drainage treatment system.＂ Journal of Hazardous Materials 448: 130898.
　　论文链接2：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130898