浙江大学蒋超等STOTEN：纵向暴露监测数据揭示个体空气暴露中细菌耐药性的特征

人无时无刻不暴露在大气环境中，监测空气源耐药菌有重要意义，目前还没有研究长期跟踪监测个人周边空气中的细菌耐药性特征。 2018年蒋超等人利用个人采样器收集了15个人在长达890天66个不同地点来源的空气生物暴露样本（Chao Jiang et al., Cell） ，发现了个体可能会受到数千个物种的潜在暴露，并且在空间和时间上变化明显，但未分析空气样本中的细菌耐药性特征。本文通过重新分析上述15个人共283个空气暴露组宏基因组测序数据，揭示了个人长期暴露于空气中细菌耐药性的特征。

在本研究15个人的空气样本中，P1~3的样本量较多：P1，890天，52个不同地点，共201个样本；P2，一年，共33个样本；P3，3个月，12个样本（PMID: 30241608）。这些人暴露于1,123种细菌，其中16种的丰度>1%（Kraken 2和Bracken分析），是主要的细菌暴露成分，共占了所有细菌样本总丰度的62.46%，（图 1a）。另外，P1在春季来源的样品中检测出比冬季更高多样性（图 1b）和更高丰度的细菌种属（图 1c）。

图1  P1~3的空气菌群暴露在不同季节的变化特征

（a）P1~3在一年四季暴露于空气源细菌的丰度和多样性；（b）P1在不同季节细菌群落多样性变化；（c）P1在不同季节菌群丰度的变化

Fig. 1 The characterization of the bacterial community by seasons for P1~3

(a) The temporal dynamics of airborne bacterial communities for P1~3；(b) The diversity of bacterial community from P1 by season; (c) The bacterial relative abundance from P1 in four seasons.

这15人一共暴露于322种耐药基因，可介导18种抗菌药的抗性，其中丰度较高的为大环内酯-林肯胺-链霉菌素（MLS）（31.11%）、多重耐药类（30.22%）、β-内酰胺类（3.25%）和磷霉素（2.46%）耐药基因。其中69个样本的耐药基因丰度较高（>1，ARGs-OAP分析）。值得注意的是两种耐药基因 lnu A（MLS抗性）和 qac G （ 季铵盐消毒剂抗性）的丰度极高，在所有样品中所占比例分别高达30.83%和29.07 %，其中来源于P1两个样本的 qac G以及P8的一个样本的 lun A的丰度极高（图 2a）。通过分析P1的样本发现跟细菌多样性的数据一致，P1在春季比冬季和夏季暴露于更多样性的耐药基因（图 2b），且春季比夏季和冬季暴露于更高丰度的细菌（图 2c）。

图2 抗生基因随季节变化的变化。

（a）69个样品携带丰度较高的耐药基因；（b）P1一年四季样空气暴露样品中耐药基因多样性比较；（c）P1一年四季样空气暴露样品中耐药基因丰度比较

Fig. 2 The dynamic antibiotic resistome by season.

(a) The heatmap showing that different individuals were exposed to a higher ARG abundance at 69-time points and the hotspot of the ARG subtypes. (b) The ARG exposure profiles of P1 by season. (c) The relative abundance of ARG exposure of P1 by season.

通过分析环境样品不同收集因素（空气颗粒密度、样品收集时长、温度和湿度）与样本中细菌和耐药基因的相关性（图3），发现只有温度和细菌的丰度相关性极显著，推测温度（19.30~39.53 ◦C）是导致P1在春冬两季细菌多样性和丰度差异性暴露的原因之一。

图3  环境样品不同收集因素与细菌和耐药基因丰度的相关性分析

Fig. 3 Pearson correlation analysis between different factors and relative abundances of the bacterial communities and antibiotic resistomes.

通过拼接283个样本的基因组序列并且与GenBank数据库中1,113,580株细菌的序列进行比对，根据相似性推测葡萄球菌属细菌是这些耐药基因的宿主菌（图4a）。并且发现本研究样本携带耐药基因的序列与宠物猫或狗携带的葡萄球菌来源的序列高度相似（图4b），同时本研究的几个参与者在空气样本搜集期间也在饲养猫、狗和豚鼠等宠物，推测宠物源葡萄球菌属细菌是耐药基因的储库。

图4 耐药基因的宿主菌分析

（a）ARGs和细菌宿主的网络共存关系；（b）本研究来源的序列和GenBank中宠物来源序列的相似性分析

Fig. 4 Source-tracking analysis of ARGs.

(a) Network plot of ARGs and the respective bacterial hosts. (b) The similarity of the sequence between current study and those from GenBank of pet origin.

综上所述，P1在春天比冬天暴露于更多样性的空气源细菌和耐药基因。这15个参与者在890天到过的66个不同地点中暴露于 1123 个细菌属，其中 16 个占主导地位。这些细菌携带着不同的 ARG，包括 322 种亚型，对 18 种抗生素具有耐药性。一些样本显示出异常高水平的特定 ARG 亚型，包括  lnu A 和  qac G。葡萄球菌是耐药基因的主要宿主菌。人类和宠物为携带耐药基因阳性葡萄球菌的重要储存库。本研究表明空气中的耐药菌的多样性和丰度在不同时空会产生动态变化，长期监测个人的空气源耐药性暴露对人体健康有重要意义。