浙大蒋超/华南农大刘雅红团队STOTEN：揭示个体空气细菌暴露耐药组动态变化规律

图片摘要

成果简介

环境暴露组对生命体的疾病和健康具有重要影响。人无时无刻不暴露在大气环境中，因此监测个体空气暴露组具有重要意义。在前期工作中，我们利用便携式空气采样设备首次在个体层面揭示了空气暴露组特征（ Jiang et al., Cell , 2018; PMID: 30241608 ），并深入阐述了个体生物和化学空气暴露组组分的研究方法（ Jiang et al., Nature Protocols , 2021 ； PMID ： 33437065 ），发现空气中存在着多样的时空动态变化的的微生物和化学物质，且空气暴露组存在个体差异性。

图文导读

近年来，抗生素滥用引发的细菌耐药性问题日益严峻，在全球范围内受到高度关注。如今，抗菌素耐药性（ AMR ）已成为人类社会最大的威胁之一，预计到 2050 年将造成每年 1000 万人死亡，因此探究空气源耐药菌具有重要意义。然而，目前尚未有研究长期跟踪监测个人所暴露的空气中的细菌耐药性情况。为探究这一问题，本研究对此前 Cell 研究的暴露组数据进行了深度挖掘，分析了 15 个人在长达 890 天 66 个不同地点来源的空气暴露样品中细菌和耐药基因丰度和多样性特征 。

其中志愿者 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。 P1 在一所大学工作，平时经常参加全球的学术会议，活动范围较大。 P2 在旧金山硅谷工作，活动范围较窄。空气样本通过将便携式空气采样设备绑定在这 15 个人的手臂进行收集，单个样本收集时间长度维持在 13.68 到 405.68 小时之间，每隔几天时间收集一次。收集之后通过全基因组测序方法获取空气样本的全基因组序列。本研究通过宏基因学方法对这 15 个人共 283 个空气暴露组学样本进行分析，发现这些人暴露于 1,123 种细菌，其中 16 种的丰度 >1% （ Kraken 2 和 Bracken 分析），共占了所有细菌样本总丰度的 62.46% ，是主要的细菌暴露成分（图 1 ） 。

另外， P1 在春季来源的样品中检测出比冬季更高丰度和更多样的细菌种属，但 P2 和 P3 没有发现这样的规律，可能是样品数量有限导致（图 2 ） 。

进一步分析这 283 个样本，发现这些人一共暴露于 322 种耐药基因，可以介导 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。 69 个样本的耐药基因丰度较高（ >1 ， ARGs-OAP 分析，耐药基因拷贝 /16S rRNA 基因拷贝），并且样本之间的耐药基因丰度差异巨大（平均数 ± 标准差： 14.63 ± 113.70 ）。值得注意的是两种耐药基因 lnuA （ MLS 抗性）和 qacG （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 qacG （ 1203.02 ，地点：中国； 401.47 ，地点：美国校园）以及 P8 的一个样本的 lunA （ 589.98 ，地点：美国校园）的丰度极高（图 3 ）。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，但从 P2 和 P3 的来源的样品未发现类似的规律（图 3 ） 。

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 4 ），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 。

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 5A ）。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 5B ），由于本研究的几位参与者在空气样本搜集期间也在饲养猫、狗和豚鼠等宠物，因此推测宠物源葡萄球菌属细菌是耐药基因的储库 。

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