典型制药废水处理厂中细菌的空气传播多样性及其对肺炎克雷伯菌引发的肺损伤的预防作用

《Journal of Environmental Sciences》：Bacterial airborne diversity in typical pharmaceutical wastewater treatment plants and preventive effect on Klebsiella pneumoniae induced pulmonary injury

　　

刘欢欢|罗毅|邓冠华|赵伟|陈军|金志成|唐宁倩子|张国霞

中国广东省热带疾病研究重点实验室，南方医科大学公共卫生学院，广州510515

摘要

污水处理厂具有独特的生物气溶胶特征。然而，关于制药废水处理厂（PWWTPs）中生物气溶胶中细菌功能的研究相对较少。本研究通过可培养菌株和16S rRNA基因高通量测序技术分析了两个PWWTPs的空气中的细菌群落。结果表明，由于处理过程的不同，从PWWTPs收集到的细菌气溶胶存在显著差异。在两个处理厂中，Pseudocyanosarcina、Potamoosiphon和Sphingomonas属的细菌占主导地位。Bacillus velezensis菌株PB131（实验室编号）基于其对Klebsiella pneumoniae（Kp）的体外和体内抑制作用被筛选出来。该菌株定植于肺部、肠道和气管，其缓解Kp诱导的炎症的机制是通过调节肠道微生物群来实现的。与Kp感染组（2.23 ± 0.21、2.10 ± 0.18和1.49 ± 0.19）相比，PB131组在抑制白细胞介素-1β（Il-1β）、白细胞介素-6（Il-6）和肿瘤坏死因子α（Tnf-α）的释放方面表现出显著效果（1.35 ± 0.08、1.26 ± 0.27和1.20 ± 0.10）。这些变化机制与肠道微生物组成和短链脂肪酸（SCFAs）水平有关，例如影响Limosilactobacillus、Duncaniella、Bifidobacterium以及丁酸的含量。这项研究从微生物组学角度提供了有价值的见解，有助于评估益生菌对肠道的定植作用。这些发现可能为使用体外来源的益生菌作为预防呼吸道炎症的替代方法提供依据。

引言

污水处理厂（WWTPs）是生物气溶胶排放的重要来源（Han et al., 2020a）。先前的研究已经详细描述了WWTPs内产生的生物气溶胶，重点关注其空间分布、组成、来源和浓度特征（Han et al., 2020b）。此外，还有研究探讨了这些气溶胶中病原菌、抗菌素耐药基因的存在及其对人类健康的潜在危害（Jantharadej et al., 2022; Yang et al., 2023）。WWTPs生物气溶胶的组成和多样性受到所采用的具体处理过程和周围环境条件的显著影响。鉴于其对城市人群的潜在影响，制药废水处理厂（PWWTPs）产生的生物气溶胶是城市公共卫生中的一个关键因素（Oberoi et al., 2022）。分析这些气溶胶中的细菌多样性对于理解其健康影响至关重要（Pendergraft et al., 2023）。因此，需要进一步研究PWWTPs中生物气溶胶的微生物群落结构和起源。

PWWTPs积累了大量多种物质，形成了有利于微生物繁殖的营养丰富环境。这种独特的营养环境可以刺激空气中有微生物的生物活性，表明这些受污染的环境可能是发现功能性细菌（包括有益菌株）的潜在库（Dell'Anno et al., 2023）。这与证据一致，表明特定环境可能蕴藏着潜在的益生菌。虽然来自动物和植物宿主的功能性微生物已被广泛研究，但对来自不同环境（如PWWTPs）的生物气溶胶中有效微生物的探索仍然相对有限（Liu et al., 2024a）。此外，长期受污染的生态系统是研究新型细菌分类和功能特性的宝贵场所，特别是那些与生物修复策略相关的微生物（Dell'Anno et al., 2023）。因此，在多样化和特殊环境中（如PWWTPs生物气溶胶）有针对性地寻找功能性微生物菌株是一个有前景的研究方向。

高通量测序（HTS）技术在表征微生物多样性、鉴定分类单元、比较群落组成以及评估大规模样本集的功能潜力方面具有显著优势。因此，HTS方法已被广泛用于分析生物气溶胶样本中的细菌多样性（Thobejane et al., 2023）。此外，传统的培养技术对于从生物气溶胶中分离单个细菌菌株并验证其生物功能仍然至关重要（Sarhan et al., 2019）。现代微生物分析越来越多地结合测序和培养方法，以全面探索多样性、检测新分类单元、表征形态并在不同环境中识别功能特性（Dong et al., 2022）。因此，HTS和培养方法的协同应用能够充分发挥各自的优点，从而更全面准确地评估微生物群落及其功能特性。

Klebsiella pneumoniae（Kp）感染在重症监护病房（ICUs）中是一个主要全球性挑战，主要影响重症患者和免疫功能低下者（Li et al., 2019）。此外，Kp还会在健康个体中引起严重的社区获得性感染，包括化脓性肝脓肿和脑膜炎，常伴有菌血症和转移性传播（Arato et al., 2021）。目前，Kp的预防主要集中在疫苗和单克隆抗体上（Arato et al., 2021; Wantuch and Rosen, 2023）。越来越多的数据表明，益生菌具有显著的健康益处（Mazziotta et al., 2023）。益生菌越来越被认为是预防Kp诱导的肺炎的有效方法（Savinova et al., 2021）。使用有益细菌为预防Kp感染提供了新的途径。

探索代谢活动对于理解肺损伤至关重要（Zhao et al., 2020）。肠道微生物组是一个代谢活跃且复杂的生态系统，在这项研究中处于核心地位。近年来，许多研究探讨了肠道菌群与不同疾病之间的关系。这些研究表明，肠道微生物群在维护健康方面具有重要意义，这体现在代谢产物的合成上，特别是短链脂肪酸（SCFAs）（Rodrigues et al., 2025）。SCFAs可能影响多种生物活性，并调节宿主健康，包括能量调节、免疫调节以及肿瘤细胞分化和凋亡的诱导（Dalile et al., 2019; Kim, 2023）。微生物代谢组，特别是与SCFAs相关的关键途径，在肠道微生物群的功能中起着重要作用。

因此，肠道微生物群的复杂组成、这些微生物产生的重要代谢物SCFAs的水平与肺部炎症的生物标志物之间存在显著关联（Chollet et al., 2024）。因此，肠道微生物群和SCFAs的结合可以部分解释肺部疾病的演变过程。

本研究分析了两个PWWTPs的生物气溶胶，并通过综合体外拮抗实验和大鼠模型评估了该菌株对Kp诱导的炎症反应的抑制效果。阐明PWWTPs生物气溶胶的微生物多样性以及有益细菌通过调节肠道微生物群组成和SCFAs代谢活动来减轻Kp感染的功能作用，可能为呼吸道病原体预防策略提供新的见解。

章节片段

研究地点和样本收集

生物气溶胶样本来自中国广州采用厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）处理工艺的两个PWWTPs。研究针对的设施分别为M1和M2，以表征其空气中的微生物群落。M1和M2的采样位置如图1a-d所示，关于PWWTPs的更多详细信息见补充材料（附录A表S1）。所有采样位置均位于地面或水面以上1.5米处

可培养空气细菌的浓度

不同采样地点的可培养空气细菌浓度差异显著。M1中的总浓度（716 CFU/m3）高于M2（461 CFU/m3）。在M1内部，网格区（GS）的浓度最高（229 CFU/m3），而二次沉淀池（SST）的浓度最低（75 CFU/m3）。在M2内部，一级好氧池（Aert1）的浓度最高（163 CFU/m3），GS的浓度最低（32 CFU/m3）。颗粒大小分布

讨论

本研究表征了两个不同PWWTPs中的空气微生物群落，并阐明了菌株PB131对K. pneumoniae诱导的肺损伤的保护作用及其潜在机制。

M1中的可培养空气细菌浓度显著高于M2。这种差异可能归因于M1处理的废水中抗生素含量较高，这可能选择了具有更强环境持久性的耐药细菌

结论

本研究描绘了两个制药废水处理厂之间的空气微生物组特征。我们分离出一种来自气溶胶的Bacillus菌株，该菌株对K. pneumoniae表现出强烈的拮抗作用，并通过体内感染模型得到了验证。此外，我们建立了肠道微生物群动态与肺保护之间的机制联系，揭示了炎症生物标志物和短链脂肪酸代谢的协调调节作用。这些发现

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

Wu et al., 2020

刘欢欢：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法学，调查，正式分析，数据管理。罗毅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法学，调查，正式分析，数据管理。邓冠华：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法学，调查，正式分析，数据管理。赵伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：82173476和广州市科技计划（编号：2025A03J3771、2025A03J3589和2025A03J3855）的支持。我们感谢南方医科大学动物实验管理中心提供的设备和帮助。