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作者：秦艺菲，中国科学院城市环境研究所博士在读，主要开展细胞外囊泡的生态功能研究。
 抗生素耐药性是一个全球性问题。一个地区产生的多重耐药菌和泛耐药菌可通过各种途径传播扩散，引发抗生素抗性的全球流行和人类健康危机。《柳叶刀》杂志发文报道，2019年，全球有127万例死亡和抗生素耐药直接相关；约495万人因耐药菌感染病逝。抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes）传播是细菌耐药加剧的重要原因。细胞外囊泡 (EVs) 被认为是携带和传播抗生素抗性基因 (ARGs) 的重要载体。然而，EVs在生活环境中是否大量存在以及其携带抗生素抗性基因的情况仍不清楚，阻碍了人们对于EV传递环境中ARG功能的认知。本文分离了包括餐厅、幼儿园、宿舍和车辆四个典型生活场景中的室内灰尘来源的EVs，随后利用宏基因组测序分析了囊泡相关DNA的丰富性和多样性，追溯囊泡宿主的微生物群落结构。研究发现，EVs的数量范围为3.40 × 107~1.09 × 1011粒/g灰尘。宏基因组测序结果显示，EVs部分来源于环境中潜在致病菌，并携带多种毒力因子；EVs富含大量编码多重耐药，喹诺酮类和大环内酯类抗生素抗性基因，部分基因定位在可移动遗传元件上，增加了ARGs的传播风险。 一. 细胞外囊泡广泛存在于室内灰尘中 通过超速离心法提取细胞外囊泡，经过透射电镜和纳米流式技术对其进行表征。TEM图像显示灰尘中的EVs与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的形状相似，呈球形、均匀、双层膜结构。四个采样点EVs的平均直径无显著差异，在69.7±11.8nm至71.7±12.2nm之间。不同场所中EVs的数量为3.40×107~1.09 ×1011粒/g灰尘。EVs的浓度与各区域所确定的细菌16S rRNA的拷贝数量相似，甚至高出多个数量级。这表明EVs和细菌在室内的广泛分布。
图 1. 室内灰尘中的细胞外囊泡。(a) 来自四个领域的电动汽车的 TEM图像室内灰尘。比例尺 = 200 nm。(b)通过纳米 FCM 分析分析的室内灰尘 EV 的粒度分布直方图。 二. 细胞外囊泡携带丰富的抗性组 使用宏基因组技术分析室内灰尘中EVs相关的ARGs，共检测到241个对16种常见抗生素耐药的ARG亚型。多药耐药基因（46.27%）、喹诺酮耐药基因（21.07%）和大环内酯耐药基因（9.05%）居前3位。数据证明了室内灰尘中EVs携带的ARG亚型的高度多样性。 为了阐明室内灰尘中EVs携带ARG的模式，我们比较了EVs与其原始室内灰尘微生物群落之间的ARGs的分布差异。灰尘中EVs中检测到的ARG亚型数（241种）比灰尘微生物中携带的ARG亚型数（339种）少28.9%，这表明只有一部分微生物ARGs进入了EVs。灰尘中EVs与室内灰尘微生物共有的ARG亚型仅为13.72%。15个灰尘中EVs携带的ARG亚型（14.70%）在室内灰尘微生物中未被检测到，这表明某些灰尘中EVs相关的ARGs可能来自于非本地的微生物群落。 进一步比较了EVs与室内灰尘微生物群中ARGs的相对丰度。对多重耐药或喹诺酮类的ARG亚型在每个EVs样本中占相对较高的比例。多药与喹诺酮类耐药基因在EVs中的平均相对丰度分别为46.27%和21.07%，而在灰尘菌群中的平均相对丰度分别为35.36%和12.03%。在这些ARG亚型中，EVs样本中mexK和mexW的相对丰度明显高于灰尘微生物群落中，相对丰度比例分别为217.35和187.89。喹诺酮类抗性基因也出现显著富集，其中GyrA、parE、parC的相对丰度分别增加了5.54、5.49、5.86倍。因此，EVs中ARGs的分布模式与室内灰尘微生物群落中ARGs的分布模式有很大差异。
图 2. 室内灰尘中细胞外囊泡ARG 的多样性和丰度。 同时，在EVs相关DNA中共发现2~8个整合子、22~26个插入序列和2560~19320个质粒。进一步分类后，发现intI1是最丰富的整合子类型，占总整合子丰度的82.70~89.78%。Tn3、IS3和IS5为IS优势家族，占IS丰度的46.98~52.51%。ISL3是唯一在餐厅和幼儿园EVs中的ARGs中同时出现的IS类型。ISL3携带的ARG类型为多药类抗性基因。IntI1是除车辆外所有样本中唯一与ARGs同时出现的整合子类型。与IntI1共同出现的ARGs以氨基糖苷类和β-内酰胺类为主，占比为73.24%~83.02%。另外还观察到一些质粒与ARGs共同出现，这些ARGs主要由多药、喹诺酮和大环内酯组成。
图 3. 室内灰尘的细胞外囊泡中可移动遗传元件的分布。 三.细胞外囊泡部分来源于环境中潜在病原菌 与周围室内灰尘微生物相比，EVs相关DNA的微生物多样性较低。在四个采样区域中，EVs中的微生物组成与周围室内灰尘的微生物组成存在显著差异。通过对微生物群落的进一步比较，发现相对丰度<1%的微生物对分泌EVs做出了巨大贡献。如P. putida在EVs中的相对丰度为7.82%，而在灰尘中的相对丰度为0.32%。EVs具有较高的病原体丰度，总平均相对丰度为30.23%，而灰尘的平均相对丰度为17.38%。同时在EVs相关DNA中共检测到342个毒力因子，包括pyoverdine、lipo-oligosaccharide、lipopolysaccharide和fbpABC。
图 4. 室内灰尘细胞外囊泡的宿主和灰尘中微生物群落结构的分类概况。 本研究揭示了EVs在不同生活区域室内灰尘中的不同微生物组成。与室内原始灰尘的菌群相比，EVs所含的病原体相对丰度更高。EVs是室内灰尘ARGs的存储载体，这些ARGs与EVs携带的MGEs共存。EVs对空气环境中ARGs的储存作用扩展了我们对灰尘中胞外DNA存在形式的认识。考虑到EVs对其所携带物质具有保护性和部分富集等作用，从“One-health”的角度来看，EVs对ARGs在室内环境中的传播及其对抗生素耐药性的转移风险值得更多关注。 论文信息 原名：Widespread of Potential Pathogen-Derived Extracellular Vesicles Carrying Antibiotic Resistance Genes inIndoor Dust 译名：室内灰尘中广泛存在携带抗生素抗性基因的潜在病原体细胞外囊泡 期刊：Environmental Science &Technology DOI：10.1021/acs.est.1c08654 发表时间：2022 通讯作者：崔丽，黄乾生 通讯作者单位：中国科学院城市环境研究所 |
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