海洋环境中的塑料是抗生素和金属抗性基因的储存库外文翻译资料

 2022-08-04 16:34:30

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中文题目： 海洋环境中的塑料是抗生素和金属抗性基因的储存库

摘要

塑料已经以前所未有的规模在近海和深海积聚。微生物群落已经在质体球上定植，它已成为抗生素和金属抗性的储存库基因（ARG和MRG）。这是对ARGs和ARGs的多样性，丰富度和共现的首次分析。使用塑料颗粒的宏基因组学数据，MRG及其在微生物群落中的关系从国家生物技术信息序列中心获得的北太平洋环流中观测到的阅读存档数据库。塑料上微生物群落中的ARGs和MRGs丰富。每个16S rRNA的范围分别为7.07times;10-4-1.21times;10-2和5.51times;10-3-4.82times;10-2复制。这俩塑料微生物群中的Shannon-Wiener指数和ARG和MRG的丰富度显着大于通过单向方差分析，得出北太平洋回旋区海水微生物区系中ARG和MRG的含量。多药耐药基因和多金属耐药基因是塑料中检测到的主要基因类型微生物群ARG和MRG的丰度或多样性之间没有显着差异大分子生物区系和微塑料生物区系，表明粒径对抗性基因没有影响。前驱分析表明，微生物群落组成是ARG的决定因素，但不适用于MRG。一些ARG和MRG的非随机并发发生率较高，这表明选择抗生素或金属抗性的共同作用是影响细菌抗药性的重要因素

塑料颗粒上的微生物群。

关键词：元基因组分析 太平洋 微塑料 宏观塑料 抗性基因

一、介绍

塑料污染在水生环境中引起极大关注，并且是在海水生态系统中有据可查，其中包括地中海，印度洋西南部（Woodall等，2014），渤海（Zhang等人，2017），波罗的海（塔明加等，2018）和北大西洋（Courtene-Jones等人，2017）。能够抵抗降解，塑料是持久且无处不在的环境（Gewert等，2015； Shah等，2008）。 在2014年超过25万吨估计有超过5万亿的塑料漂浮在海洋中（Eriksen等，2014）。 环境分为三类塑料污染，按大小分类：纳米塑料（lt;100 nm），微塑料（100 nm-5 mm）和大塑料（gt; 5 mm）（Anderson等，2016; 加洛韦等，2017）。 此外，环保塑料可以在整个海洋中被许多海洋动物摄入并积累食物网（Wright等，2013）。

塑料是水中无机和有机污染物的载体。已观察到铜和锌的浓度增加在纯聚苯乙烯珠和老化的聚乙烯上均显着海水中的氯化物碎片（Brennecke等人，2016）。各种有机污染物，例如多环芳烃（Rochman等，2013年），多氯联苯（Velzeboer等人，2014年）和抗生素（Li等人，2018a）可以被吸附到塑料上。而且，塑料也可以被不同的微生物群落定殖，因此成为选择和传播细菌和藻类的载体（Keswani等人，2016; Zalasiewicz等人，2016）。环境利基塑料上的微生物生命统称为塑料球（Zettler等人，2013）。几项研究已经调查了微生物海洋环境中塑料上的群落结构（Bryant等人，2016; Oberbeckmann等人，2014）。微塑料有最近发现可影响微生物群落的进化并增加包括抗生素在内的基因交换，包括抗生素抗性基因（ARG）实验（Arias-Andres等人，2018）。迄今为止，还没有发表有关抗生素丰富度和多样性的研究海洋环境中塑料对细菌分类群的抗性基因，尽管海水已被确定为全球的蓄水池ARGs（Hatosy和Martiny，2015年）。我们建议塑料是更海洋中金属抗性基因（MRG）和ARG的重要库环境要比海水好。在这项研究中，宏基因组学数据可从国家生物技术信息中心获得（NCBI）序列读取档案（SRA）数据库，用于微生物群落发现在该地区的微塑料，大塑料和海水中北太平洋涡流用于调查：（1）塑料微生物群之间ARG和MRG的丰度和多样性和海水微生物群；（2）多样性，丰度和同时发生细菌群落中ARG和MRG的分布海洋环境中的微塑料和大塑料；（3）塑料（微塑料或大塑料）类别尺寸对ARG和MRG的丰富性和多样性；和（4）关系微生物群落的物种组成与抗性基因（ARG和MRG）。这项研究是第一个调查的抗微生物基因在微生物菌落上的分布和大分子塑料，这将重要地增进我们了解塑料的海洋生态影响。

二、方法和材料

2.1数据收集与信息

布莱恩特等人（2016）保存了北太平洋回旋区塑料（微塑料和大塑料）和海水中微生物群落的宏基因组学数据在NCBI SRA数据库（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra）中。海水样本是在北太平洋环流中收集的，而不是在收集塑料样本的地方用作抗性基因研究的对照。布莱恩特等人（2016）使用与对照相同的海水宏基因组学数据研究了居住在塑料中的细菌群落。登录号为SRS1401924 – SRS1401935（塑料，表S1），SRX 556050和SRX 556052–SRX 556052（海水，表S2）的基因组数据是从数据库中获得的。塑料的分布以及微生物栖息地的多样性和活性布莱恩特等人（2016）对塑料进行了全面的研究。我们使用了微塑料（2mm至5mm）和大塑料（gt; 5 mm）从六个采样点进行宏基因组分析（表S1和图S1，补充材料）。我们下载了原始数据，并按照Li等人（2018b）的方法进行了处理。（1）使用PRINSEQ检查并过滤数据质量（prinseq-lite.pl，参数设置的平均质量得分ge;20，歧义数le;1）; （2）仅包括长度ge;100bp的序列，以消除序列中的不一致，然后将所有序列修整为100bp。在最终数据集中，所有塑料样品的平均序列数为33,060,796，最小序列为967,606，最大序列为 91,520,464。平均序列数所有海水样本中共有447,292个，最少162,880个，最大752,284个序列。

2.2抗生素抗性基因分析

参考ARGs用于分析塑料的宏基因组学数据，按照先前出版物中的程序（Li等人，2018b; Yin等人，2018）通过ARGs-OAP在线管道（http://smile.hku.hk/SARGs）回收了北太平洋回旋区（微塑料和大塑料微生物群）和海水等。简而言之，使用平台提供的Perl脚本运行UBLAST算法，以预筛选ARG样和16S rRNA基因序列。 使用BLASTX将候选ARG序列与SARG数据库进行匹配。 发现符合BLASTX标准的序列（比对长度25 aa，相似性80％，e值1e-5）根据SARG层次结构（类型-亚型-序列）进行分类。 计算并记录了宏基因组数据中的ARG丰度（每16S rRNA复制ARG的副本）。

2.3金属抗性基因分析

使用协议确定宏基因组数据中的MRG随后是Gupta等（2018）。简要地，通过实验证实MRG是从BacMet数据库（版本2.0）下载的，其格式为参考（Pal 等，2014）。使用BLASTX使用以下搜索条件将干净的MRG读数与BacMet参考数据集进行匹配：e值10-5，氨基酸同一性ge;90％，比对长度gt; 25个氨基酸（Buchfink等人，2014; Kristiansson等人，2011），计算并记录了MRG的丰度。

2.4统计分析

微塑料、大塑料和海水微生物群之间的ARG和MRG的丰度和多样性差异为使用单向方差分析（ANOVA）进行分析的热图ARG和MRG是使用开源软件R生成的版本3.4.1（R统计学计算基金会，维也纳，奥地利）的gplots软件包中包含pheatmap（Kolde，2013）和heatmap.2（Warnes等人，2015）。使用R 3.4.1素食主义者包装（Oksanen等人，2013）发现Shannon-Wiener指数以及ARG和MRG的丰富度（Oksanen等人，2013）。通过Spearman等级相关分析使用微塑料和大塑料生物群同时存在ARG和MRG。R软件从布莱恩特等人（2016）获得的抗药性基因共存数据和塑料上微生物群落组成的数据。他们使用R对Spearman分析进行了相同的宏基因组数据分析。相关网络使用开源Gephi软件可视化（Bastian等，2009）。在网络中，使用先前出版物中的方法计算并统计观察到的ARG和MRG的同时出现或相关的发生率（O％）和随机发生率（R％）（Ju等人，2016; Ju和Zhang，2015）。O％与R％的比率（O / R比率）用作确定非随机共现模式的阈值（Ju等人，2016; Ju和Zhang，2015）。使用非度量多维标度（NMDS）Procrustes分析（使用微生物群落和抗性基因概况的数据进行999个排列），研究了塑料上的抗性基因（ARG和MRG）概况与微生物群落组成之间的成对一致性。统计测试由R包“纯素食主义者”中的抗议功能执行（Oksanen等人，2013年）。 Procrustes分析的p值lt;0.05表明，抗性基因（ARG或MRG）与塑料上的微生物群落组成之间存在显着相关性。

三、结果

3.1微塑料和大塑料的抗生素抗性基因

在所有塑料样品中都发现了ARG，但只有17个中有4个海水样本。相对而言没有显着差异宏观塑料和微观塑料生物群之间的总ARG的丰度（p = 0.441），但是宏观塑料和微观塑料中的总ARGs的相对丰度明显高于海水（单向方差分析，p lt;0.05）（图1a）。大塑料和微塑料中的Shannon-Wiener指数和ARG的含量也显着高于海水（p lt;0.05）（图S2，补充材料）。大塑料（每16S rRNA为6.55times;10-3复制）和微塑料生物区系（每16S rRNA为5.15times;10-3复制）中总ARG的平均相对丰度分别为海水（9.06times;10-4）的7.23和5.69倍每个16S rRNA复制数）。这些结果表明，海洋环境中塑料上的ARGs比海水中的丰富和多样。在第4位的大型塑料生物群中观察到总ARG的最高相对丰度，值为每16S rRNA 1.21times;10-2复制，随后在第6位的大型塑料生物群（每16S rRNA为8.13times;10-3复制）和该场所的微塑料生物群2（每16S rRNA 8.13times;10-3复制）（图2）。在塑料的微生物群中发现了13种对各种抗生素具有抗药性的ARG类型，而在海水样品中仅发现了两种ARG类型（多药抗性基因和未分类的ARGs）。多药耐药基因在塑料菌群中显示出最高的平均相对丰度（每16S rRNA为1.47times;10-3复制），其次是氨基糖苷耐药基因和未分类的ARG（图3）。每个16S rRNA以10-6–10-5复制数检测到对氯霉素，膦霉素，春日霉素，利福霉素或万古霉素具有抗药性的ARG，该值低于其他ARG的值（p lt;0.05）。

我们发现64种ARG亚型可抵抗13种大型塑料和微塑料生物区系中的抗生素（图S3和表S3，补充材料），而只有6种ARG亚型在海水样本中发现（表S4，补充材料）。可以看出，大多数ARGs的检测水平为每16S rRNA lt;10-4复制。氨基糖苷抗性基因（aac（3）-I），未分类的抗性基因（转录调控蛋白CpxR cpxR），杆菌肽耐药基因（bacA），MLS（大环内酯-林可酰胺-链霉菌素）耐药基因（macB）和多药耐药基因（mexF和多药ABC转运蛋白）的平均相对丰度gt; 4times;10-4复制/ 16S rRNA，高于本研究中检测到的其他ARG亚型。无法根据塑料尺寸（微塑料或大塑料；图S3和S4，补充材料）来表征不同位置的ARG。因此，塑料尺寸不会影响ARG的丰度或多样性。

图3-1.大塑性、微塑性和海水样品中（a）抗生素抗性基因和（b）金属抗性基因的相对丰度的箱线图。

图3-2.海水，（a）大型微生物菌群和（b）不同位置的微生物菌群中抗生素抗性基因的相对丰度（MLS：大环内酯-林可酰胺-链霉菌素）。

图3-3.大塑性微生物群和组合的微塑性微生物群中不同ARG的比较

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