《Aquatic Toxicology》：Metagenomic insights into the distribution and potential influencing factors of antibiotic resistance genes in historically polluted lake sediments
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付金阳|李俊杰|胡彩霞|姚琳琳|曹梦曦|董一然|王普|梁勇|童磊|史建波中国地质大学环境学院地下水质量与健康国家重点实验室，武汉430078，中国摘要湖泊沉积物是环境抗生素抗性基因（ARGs）演变和持续存在的时空整合档案，有助于了解持续的环境压力如何影响人类活动影响下的湖泊系统中
付金阳|李俊杰|胡彩霞|姚琳琳|曹梦曦|董一然|王普|梁勇|童磊|史建波
中国地质大学环境学院地下水质量与健康国家重点实验室，武汉430078，中国
摘要
湖泊沉积物是环境抗生素抗性基因（ARGs）演变和持续存在的时空整合档案，有助于了解持续的环境压力如何影响人类活动影响下的湖泊系统中的抗性组结构。工业污染的湖泊由于受到强烈的人为干扰，其沉积物中污染物负荷较高；然而，这些环境中ARGs的积累模式及其相关环境因素仍知之甚少。本研究调查了历史上受工业活动污染的湖泊（雅尔湖）中ARGs沿沉积物深度梯度（0-40厘米、40-80厘米和80-120厘米）的水平和垂直分布及其潜在影响因素。结果表明，杆菌肽（27.3-43.6%）和多重耐药基因（25.4-33.1%）在抗性组中占主导地位，且在靠近排放口的浅层沉积物中富集程度较高，反映了遗留污染的影响。ARGs表现出显著的垂直分层（p < 0.05）：在最表层含量最高，中间层多样性最高，关键亚型的丰度随深度变化而变化。宿主追踪将ARGs归类为四个门类的34个主要属，其中假单胞菌门、放线菌门、杆菌门和热硫杆菌门被确定为主要的ARG宿主。微生物群落和移动遗传元件（MGEs）共同决定了ARGs的持久性，浅层沉积物显示出更广泛的宿主-MGE耦合，而深层沉积物则表现出更强的环境过滤和选择性MGE介导的维持作用。总体而言，ARGs从与历史废水输入相关的表面富集转变为随埋藏深度增加而更具选择性的持久性模式，表明受污染的湖泊沉积物是ARGs的长期储存库和潜在传播源。
引言
自20世纪被发现以来，抗生素被广泛用于人类医学、农业和畜牧业（Xiao等人，2023年）。然而，过度使用/滥用导致环境中抗生素残留物大量积累，并加速了抗微生物耐药性（AMR）在多种生境中的出现和传播（Elder等人，2021年）。抗生素抗性基因（ARGs）和抗生素抗性细菌（ARB）已在多种环境基质中被检测到，包括水生生态系统（Muurinen等人，2022年；Tong等人，2020年）、土壤（Zhang等人，2023年）和沉积物（Chen等人，2019年），以及极端环境如永久冻土（Haan和Drown，2021年；Xie等人，2024年）和深海沉积物（Yang等人，2021年）。在这些环境中，ARGs可以通过水平基因转移（HGT）在细菌群落之间传播，从而增加人类病原体中ARGs的流行率，对公共卫生构成严重威胁（Buckley和Palmer，2021年）。
湖泊是重要的淡水生态系统，提供气候调节、供水以及维持生态平衡和生物多样性等关键服务（UNEP，2022年）。与其他地表水体相比，湖泊通常具有更长的水力滞留时间，这使得污染物能够持续存在并对水生生态系统产生长期影响。这种延长的滞留时间加剧了对微生物群落的选择压力，并促进了微生物间的相互作用，从而增加了ARGs出现和水平转移的可能性。因此，湖泊可能成为ARB和ARGs积累和传播的潜在储存库（Liu等人，2023年；Wang等人，2020年）。现有研究主要集中在天然湖泊水柱和表层沉积物中的ARGs分布（Czekalski等人，2014年；Han等人，2022年），为它们的迁移和转化提供了重要见解。然而，深层沉积物受到的关注较少，这通常反映了湖泊长期的污染历史和ARGs的积累模式。此外，深层沉积物中普遍存在的厌氧和无光条件会显著改变微生物群落结构（Alves等人，2020年）。此外，湖水与地下水之间的相互作用（Sarah Tweed，2011年）可能促进ARGs的转化或迁移，从而导致地下水污染。
在长期暴露于工业废水的湖泊中，沉积物中常常积累重金属和持久性有机污染物等污染物，这些污染物可能单独或协同影响微生物群落（Lyautey等人，2021年）。这些污染物可能通过共选择和交叉抗性等机制促进ARGs的富集和传播。然而，这种工业污染湖泊中ARGs传播的机制仍不甚明了。基于此，雅尔湖——位于长江中下游的一个典型浅湖——为研究在长期工业污染和其他人为输入驱动的复杂污染情景下的ARG动态提供了代表性案例。历史上，该湖泊是周边农田和当地社区的重要水源。然而，自1958年以来，附近化工厂排放的未经处理的工业废水导致重金属（Yu等人，2023年）和有机污染物（Chen等人，2023年）严重污染。为了改善水质，该湖泊被划分为五个相互连接的氧化池进行废水处理，但这些氧化池已于1998年停止运行。尽管水质有所改善，但沉积物中仍存在大量残留的有机污染物（Li等人，2024年）。此外，周边地区水产养殖业的发展导致抗生素持续进入湖泊，进一步加剧了对沉积物微生物群落的选择压力，并增加了ARGs增殖的风险。特别是目前作为处理后污水排放接收区的1号池和5号池。这些区域是遗留污染和持续污染输入的交汇点，可能是ARGs储存和潜在传播的热点。
因此，本研究采用宏基因组测序技术分析了雅尔湖沉积物样本中的ARG谱型。具体目标是：（1）阐明多污染湖泊系统中ARGs在水平和垂直沉积层中的存在和空间分布；（2）探讨与沉积物深度梯度相关的潜在因素。这些发现为了解受污染湖泊沉积物中ARGs的分布特征和潜在影响因素提供了新的见解，为制定有效的ARG控制策略提供了科学支持。
章节摘录
研究区域和样本采集
雅尔湖位于中国湖北省鄂州市西部，处于鄂州和武汉的交界处。它是一个位于长江中下游的浅层富营养化湖泊，面积约为4平方公里。该湖泊曾作为邻近的葛店化工厂的化学废水氧化系统使用，由五个具有不同处理功能的相互连接的氧化池组成。沉积物样本采集于2022年1月。
基本理化参数
雅尔湖沉积物的pH值在7.42到9.14之间，表明环境呈弱碱性。总氮（TN）和总磷（TP）的平均浓度分别为809.3毫克/千克和508.3毫克/千克，不同氧化池之间存在显著的空间差异。TN和TP水平在1号池和5号池中通常较高——这两个池历史上曾是主要的废水排放区，目前作为处理后的生活污水接收池——而其他池中的浓度相对较低。
结论
本研究调查了雅尔湖沉积物中ARGs的水平分布，该湖泊历史上曾作为废水氧化池使用，并进一步阐明了影响沉积物剖面中ARGs持久性的潜在因素。浅层沉积物中的ARGs表现出非线性的水平分布，在1号池排放口附近富集，在5号池中重新升高，这表明了遗留污染和持续二次污染的共同影响。
资金支持
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFC3703700）和国家自然科学基金（42277068）的支持。
作者贡献
付金阳——数据管理、正式分析、调查、软件使用、可视化、原始稿撰写
李俊杰——概念构思
胡彩霞——调查
姚琳琳——方法学设计
曹梦曦——方法学设计
董一然——资源获取、软件使用
王普——监督、验证
梁勇——监督、验证
童磊——概念构思、项目管理、资源获取、监督、撰写-审稿与编辑
史建波——资金获取、监督、撰写-审稿与编辑
数据可用性
所有原始宏基因组测序数据已存放在NCBI SRA数据库中，项目编号为PRJNA1353899。
CRediT作者贡献声明
付金阳：原始稿撰写、可视化、软件使用、调查、正式分析、数据管理。李俊杰：概念构思。胡彩霞：调查。姚琳琳：方法学设计。曹梦曦：方法学设计。董一然：软件使用、资源获取。王普：验证、监督。梁勇：验证、监督。童磊：撰写-审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理。史建波：撰写-审稿与编辑、监督、资金获取。
