关于噬菌体在减轻红树林沉积物中抗生素抗性基因作用方面的实验证据

《Environmental Pollution》：Experimental evidence for the role of phages in mitigating antibiotic resistance genes in mangrove sediments

　　

Siyuan Fan|杨阳李|张璐瑶|谢曙光

中国北京100871，北京大学环境科学与工程学院，区域环境与可持续性国家重点实验室

摘要

由于缺乏直接的实验验证，噬菌体在减轻或加剧红树林中抗生素抗性基因传播方面的生态作用至今仍不清晰。气候变化导致的海水入侵将非本地噬菌体引入红树林生态系统，但这一过程对抗生素抗性基因传播的潜在影响尚未明确。本研究建立了淹水微宇宙系统，注入来自本地及非本地红树林沉积物的噬菌体悬浮液，以此模拟气候变化带来的噬菌体输入干扰。研究结果揭示了不同的噬菌体-宿主相互作用模式：非本地噬菌体会对细菌群落产生短期干扰，但无论何种来源的噬菌体都不会改变细菌或抗性基因组结构。不过，噬菌体确实会影响抗生素抗性基因的组成和动态，其中非本地噬菌体的调控作用更为显著。此外，77 ± 2.1%的病毒操作分类单元为裂解型，185个噬菌体与抗生素抗性细菌的关联中也有154个为裂解型，这说明裂解型噬菌体在控制抗生素抗性细菌数量、减轻抗生素抗性基因传播方面起着主导作用；而携带抗生素抗性基因的溶原型噬菌体仅占0.68 ± 0.46%，其对抗生素抗性基因传播的促进作用极小。另外，只有3.2 ± 0.56%的病毒操作分类单元携带抗生素抗性基因，因此噬菌体介导的抗生素抗性基因传递作用可以忽略不计。这项研究首次为不同来源噬菌体对红树林中抗生素抗性基因命运的影响提供了直接实验证据，也为理解全球气候变化背景下抗生素抗性基因传播的生态机制提供了新视角。

引言

抗生素的过度使用和滥用导致抗生素抗性基因及抗生素抗性细菌在环境中广泛存在并传播，这已成为21世纪最严峻的全球健康问题之一（Kennedy和Comstock，2024；MacLean和San Millan，2019）。由移动遗传元素介导的水平基因转移是抗生素抗性基因出现和传播的关键机制，这些移动遗传元素包括整合子、转座子、质粒和噬菌体（Coluzzi等人，2023；Moura De Sousa等人，2023；Partridge等人，2018）。其中，感染原核细胞的噬菌体所介导的转导作用被认为是抗生素抗性基因水平基因转移的重要途径（Moura De Sousa等人，2023；Salmond和Fineran，2015）。早期研究认为，噬菌体转导发生频率高、宿主范围广，且在环境中稳定性强，因此能够携带多种抗生素抗性基因，进而成为抗生素抗性基因的储存库和传播载体（Calero-Cáceres等人，2019；Calero-Cáceres和Muniesa，2016；Maganha De Almeida Kumlien等人，2021；Zhang等人，2022）。然而，越来越多的研究表明，噬菌体很少携带抗生素抗性基因（Enault等人，2017；Wang等人，2025a、2025b、2025c；Sabatino等人，2023；Billaud等人，2021；Petrovich等人，2020），这就需要更多直接实验证据来阐明噬菌体转导对抗生素抗性基因传播的贡献。

多项先前研究表明，噬菌体可通过裂解型和溶原型两种生存方式，对抗生素抗性基因的命运产生直接和间接影响（Liao等人，2024；Lu和Guo，2024；Xie等人，2025；Yan等人，2025；Ye等人，2019；Zhang等人，2024）。一方面，裂解型噬菌体可以裂解抗生素抗性细菌，使抗生素抗性基因释放到环境中，从而在减轻抗生素抗性基因传播方面发挥重要作用（Xie等人，2025；Xin等人，2025；Yan等人，2025；Ye等人，2019；Zhang等人，2024）。另一方面，溶原型噬菌体可将自身基因组整合到宿主染色体中或以质粒形式存在，进而引入其编码的抗生素抗性基因，通过垂直和水平基因转移促进抗生素抗性基因的传播（Howard-Varona等人，2017；J. Li等人，2025；Tang等人，2026）。除此之外，不同生存方式的噬菌体还可以通过与宿主之间复杂而特定的相互作用，改变微生物群落的结构和动态，从而间接影响抗生素抗性基因的命运（Huang等人，2025），进而影响携带抗生素抗性基因的宿主细菌（Weiss等人，2026；Xie等人，2025）。然而，噬菌体在不同滨海湿地微生态系统中的生态功能仍不完全清楚。此外，以往的实验研究大多将噬菌体视为统一的存在，未考虑其地理或生态来源的差异。虽然有一些研究表明非本地噬菌体可以改变噬菌体群落组成和噬菌体-宿主相互作用（Braga等人，2020；Huang等人，2024；Zhu等人，2025），但它们如何影响抗生素抗性基因的命运仍需进一步实验验证。

作为陆地与海洋之间的重要过渡带，也是热带和亚热带海岸线特有的潮间带生态系统（Alongi，2014；Friess等人，2019；Guo等人，2018），红树林极易受到水产养殖和废水排放等人类活动的影响，因而成为抗生素抗性基因的复杂且重要的储存库（Cabral等人，2016；Imchen和Kumavath，2021；Liu等人，2023；Mukherji等人，2022；Su等人，2024）。红树林生态系统中的噬菌体群落数量丰富、多样性高（Jin等人，2019）。间歇性的潮汐变化会导致环境条件周期性波动，使得红树林中的噬菌体群落比许多其他自然生态系统中的更加多样（Ji等人，2024）。然而，关于噬菌体如何影响红树林中抗生素抗性基因命运的问题仍存在知识空白。此外，气候变化导致的海水频繁入侵会引入非本地噬菌体（Zhu等人，但据作者所知，目前尚无研究探讨非本地噬菌体的引入是否会影响红树林中抗生素抗性基因的获取、维持和传播。因此，阐明不同来源噬菌体对红树林中抗生素抗性基因命运的潜在影响，对于完善气候变化与抗菌素耐药性之间的理论联系，以及优化抗生素抗性基因风险评估和管理策略具有重要意义（Kalanxhi和Laxminarayan，2026）。

为填补这些知识空白，我们采集了红树林沉积物，并构建了一系列淹水微宇宙系统，注入本地或非本地噬菌体悬浮液，以此模拟气候变化导致的海水入侵对红树林沉积物中噬菌体群落造成的干扰。我们通过宏基因组测序，系统分析了不同来源噬菌体引发的噬菌体-宿主相互作用模式的差异，以及它们对沉积物中抗生素抗性基因组的不同调控作用。此外，我们还研究了具有不同生存方式的噬菌体在驱动抗生素抗性基因命运中的作用，并评估了噬菌体介导的转导作用在红树林沉积物（一种独特的潮间带生态系统）中对抗生素抗性基因传播的贡献。这项研究首次为不同来源噬菌体对红树林中抗生素抗性基因命运的影响提供了直接实验证据，为在全球气候变化背景下控制红树林中抗生素抗性基因的传播提供了新思路。

章节节选

沉积物采样与微宇宙构建

本研究从中国南部沿海两个不同的红树林生境中采集了表层沉积物：BG沉积物采自八岗红树湿地公园（北纬22.65°，东经114.51°），DB沉积物则采自茅洲河附近的红树林（北纬22.74°，东经113.76°）。这两个采样地点均位于珠江口和深圳市红树林区域，由于人类活动频繁，这些地区已知存在多种抗生素抗性基因（Liu等人，2023；Zhao等人，

噬菌体引入改变了沉积物中的细菌群落

在三种处理组中共检测到3825个病毒操作分类单元，其中仅有2465个能在门水平上进行分类，480个能在科水平上进行分类，还有1295个病毒操作分类单元未被鉴定（表S7），这表明红树林沉积物中存在大量新的病毒物种以及尚未被研究的病毒多样性，这一结果与之前对红树林土壤病毒组的调查结果一致（Jin等人，2019）。其中< />和

讨论

在本研究中，我们通过注入不同来源的噬菌体构建了一系列微宇宙系统，旨在探究不同噬菌体-宿主相互作用及其对抗生素抗性基因命运的影响。研究结果表明，噬菌体-宿主相互作用会直接导致细菌群落和噬菌体群落的组成及多样性发生显著变化，其中非本地噬菌体与宿主的相互作用更为明显（图1A和S1）。鉴于大部分

结论

本研究首次为不同来源噬菌体对红树林中抗生素抗性基因命运的潜在影响提供了直接实验证据。我们的研究显示，根据噬菌体来源的不同，噬菌体-宿主相互作用模式也存在差异，非本地噬菌体会产生短期影响。不过，这些相互作用并未显著改变细菌群落结构，因此也没有导致整体抗性基因组结构发生重大变化。尽管如此，噬菌体

CRediT作者贡献说明

Siyuan Fan：论文撰写——初稿、方法学、研究实施、概念构思。Yangyang Li：方法学、研究实施。Luyao Zhang：数据整理。Shuguang Xie：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了区域环境与可持续性国家重点实验室的专项基金支持（项目编号：25Y01RESPKU）。宏基因组数据处理工作则得到了北京大学的高性能计算平台的支持。