抗生物質耐性遺伝子の時間的動態と、14種類の抗生物質による選択下にある水底堆積物中成層における細菌群集との関連

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Environ Int.2020 Apr;137:105554. S0160-4120(19)34366-1. doi: 10.1016/j.envint.2020.105554.Epub 2020-02-18.

抗生物質耐性遺伝子の時間的動態と、14種類の抗生物質による選択下にある水底堆積物中成層における細菌群集との関連

Temporal dynamics of antibiotic resistant genes and their association with the bacterial community in a water-sediment mesocosm under selection by 14 antibiotics.

Chengxun Deng
Xiaowei Liu
Lanlan Li
Jianghong Shi
Wei Guo
Jianhui Xue

PMID: 32062436 DOI: 10.1016/j.envint.2020.105554.

抄録

水生環境中の抗生物質は、高濃度および抑制濃度以下の濃度では、潜在的に抗生物質耐性遺伝子（ARG）の進化を選択する可能性があり、水生生態系の安全性に潜在的なリスクをもたらしている。これまでの研究では、天然水・土砂系における抗生物質の選択的圧力下での抗生物質耐性遺伝子と細菌群集の時間的・連続的な動態についての知見は限られていた。本研究では、水底系におけるARGの時間的動態と、一般的に使用されている14種類の抗生物質の減衰と輸送に伴う主な選択メカニズムを調べるために、120日間の作動流体力学的メソコズムを用いて研究を行った。抗生物質による選択的圧力下では、ARGは一過性に増殖し、抗生物質除去後も持続し、細菌群集構造も同様に変化した。マンテル検定とネットワーク分析により、ARGは水中および表層堆積物中の細菌群集と有意な相関があることが示された。さらに構造方程式モデル（SEM）により、ARGの進化は主に細菌群集の変化とクラス1 integron-integrase遺伝子（intI1）を介した水平遺伝子導入（HGT）の直接的な影響によるものであるが、抗生物質は間接的にARGのプロファイルに影響を与えていることが明らかになった。深層堆積物中のARGの移動は、細菌群集やintI1とは無関係であったが、抗生物質の選択的効果とARGの形質転換によって説明できる可能性がある。

Antibiotics in aquatic environments at high concentrations and sub-inhibitory concentrations potentially select for the evolution of antibiotic resistant genes (ARGs), posing a potential risk to aquatic ecological safety. Our knowledge of the temporal and successive dynamics of ARGs and bacterial community under the selective pressure of antibiotics in natural water-sediment system was limited. This study used a 120-d operating hydrodynamic mesocosm to explore the temporal dynamics of ARGs in water-sediment systems, and the main selective mechanisms following the attenuation and transport of 14 commonly used antibiotics. Under the selective pressures by antibiotics, ARGs propagated transiently, and persisted after antibiotic removal; the bacterial community structures likewise changed. Mantel test and network analysis indicated that ARGs significantly correlated with the bacterial community in the water and surface sediments. Structural equation model (SEM) further revealed that the evolution of ARGs was mainly due to the direct effect of the change in bacterial community and horizontal gene transfer (HGT) via the class 1 integron-integrase gene (intI1), but antibiotics indirectly influenced ARG profiles. The migration of ARGs in deep layer sediments was not related to the bacterial community and intI1, but may be explained by antibiotic selective effects and ARG transformation.