添加硫酸盐通过富集耐药细菌并促进水平基因转移的潜力，增强了湖泊沉积物中的抗生素抗性

《Journal of Environmental Sciences》：Sulfate addition enhanced antibiotic resistance in lake sediments by enriching resistant bacteria and promoting the potential of horizontal gene transfer

　　

张静静|陈娟|王超|王佩芳|冯冰冰|张波|张顺清|傅静静

中国教育部湖泊综合调控与资源开发重点实验室，河海大学环境学院，南京210098

摘要

湖泊沉积物是抗生素抗性基因（ARGs）的典型储存库，而抗生素抗性基因是一种新兴的污染物。作为沉积物微生物的关键营养物质，硫酸盐含量的增加会显著影响硫循环及相关微生物过程。然而，硫酸盐负荷对湖泊沉积物中ARGs分布的影响仍知之甚少。本研究通过微宇宙实验，利用宏基因组分析方法探讨了不同浓度（200、400和600毫克/千克干重）的硫酸盐添加如何影响沉积物中的抗性基因组。硫酸盐的添加显著增加了沉积物中的硫化物含量以及硫酸盐还原基因（SRGs）的相对丰度。值得注意的是，在高硫酸盐处理下（600毫克/千克），ARGs、毒力因子基因（VFGs）和移动遗传元件（MGEs）的相对丰度显著上升，表明在高硫酸盐负荷条件下抗性传播的潜力增加。与水平转移相关的基因（包括介导细胞膜通透性和IV型分泌系统的基因）的相对丰度也因硫酸盐添加而增强，这可能促进了ARGs的传播。线性回归分析显示ARGs的丰度与MGEs和VFGs的丰度之间存在强正相关关系。网络分析还发现，硫酸盐添加富集了携带SRGs的特定抗生素抗性细菌（ARBs）。其中Burkholderia, JACDDX01和Hylemonella属的细菌富集程度分别增加了16.7%、13.2%和94.6%。总体而言，硫酸盐添加导致的ARGs丰度增加与特定ARBs的富集以及水平转移的增强密切相关。这些发现有助于理解硫酸盐驱动的沉积物抗性基因组变化，并评估富含硫酸盐的湖泊生态系统的环境风险。

引言

抗生素抗性基因（ARGs）已成为一个全球性的健康挑战，对公共卫生的影响日益严重（Zhao等人，2025b）。湖泊生态系统是ARGs传播的主要储存库，经常受到人类活动如污水排放（Kraemer等人，2022）、农业径流（Yang等人，2025）和畜牧业（Li等人，2025a）的污染。此外，季节性水文变化也会改变湖泊湿地中ARGs的丰度和组成（Xu等人，2025）。值得注意的是，湖泊沉积物能够长期携带ARGs，在人类活动频繁的浅水湖中，ARGs的丰度可高达1.40×10^11拷贝/克（Yang等人，2022a）。此外，沉积物中的细菌群落是ARGs进化和传播的重要环境因素（Liu等人，2024c；Lyautey等人，2021）。为了减轻沉积物中ARGs的增殖和传播，研究其环境命运至关重要。先前的研究已经探讨了抗生素和外源性含ARG物质如何影响沉积物中的ARGs（He等人，2014；Lima等人，2020）。Feng等人（2023）发现，由于水产养殖池塘中抗生素的广泛使用，沉积物中的多重耐药ARGs的丰度高达每16S rRNA基因拷贝1.90×10^-1个。沉积物中的ARGs还受到本身不含ARGs的物质（如微塑料（Wang等人，2024a）和非抗生素类药物（Wang等人，2021）的强烈影响。然而，作为沉积物中天然存在的营养物质，硫酸盐如何影响沉积物中ARGs的丰度仍不清楚。

沉积环境条件的变化可能会改变细菌群落的动态，从而影响沉积物中ARGs的丰度（Liu等人，2024a）。例如，排入湖泊的沉积物颗粒大小的减少可能会影响细菌丰度和ARGs的反应（Wu等人，2024）。研究表明，由于环境中耐药细菌的增殖，细菌群落是ARGs丰度变化的重要驱动因素（Liu等人，2024c）。特别是由于农业径流和工业过程等人为活动，湖泊沉积物中硫酸盐的积累已成为一个重要的环境问题（Li等人，2025c）。从生态学角度来看，这种高硫酸盐负荷会通过促进铁结合磷的释放而加剧内部富营养化（Zhou等人，2022），并引发硫化物毒性，威胁水生生物多样性（Zak等人，2021）。此外，硫酸盐的积累还可能触发抗生素抗性的发展（Li等人，2024；Wang等人，2024b）。Jia等人（2018）发现硫酸盐还原细菌（SRBs）对环丙沙星具有抗性，表明SRBs也可能是抗生素抗性细菌（ARBs）。这表明硫酸盐可能通过选择性富集携带SRGs的ARBs来推动抗生素抗性的发展（Wen等人，2025）。目前关于硫酸盐对ARGs影响的研究主要集中在污水处理系统（Xie等人，2024a）。Wang等人（2024b）发现，硫酸盐还原过程可能会促进ARGs的传播，因为SRBs可能携带ARGs。在厌氧处理系统中，如unclassified_f__Syntrophaceae和unclassified_f__Anaerolineaceae等属的细菌在添加硫酸盐后得到了富集（Xie等人，2024a）。研究还表明，珠江口沉积物中的ARGs与硫酸盐通过硫酸盐还原微生物密切相关（Li等人，2024b）。湖泊沉积物中硫酸盐与ARBs之间的关系仍有待阐明。

太湖是中国第三大淡水湖，正面临着加速的社会经济发展带来的环境压力。由于人类活动的加剧，太湖中ARGs的普遍存在已成为一个日益严重的问题，导致其沉积物中的抗性风险水平升高（Bai等人，2022）。太湖沉积物中的硫酸盐浓度在不同区域差异很大，大约在200到700毫克/千克之间（Gao等人，2022；Zhang等人，2024）。研究不同硫酸盐浓度下太湖沉积物中ARGs的丰度变化至关重要。值得注意的是，由于氧气条件受限，沉积物容易发生微生物对硫酸盐的还原作用（Li等人，2021），这也促进了ARGs在沉积物中的持续存在（Xie等人，2024a）。因此，沉积物中的硫酸盐可能通过相关的功能性微生物影响ARGs的传播。此外，水平基因转移（HGT）是ARGs在沉积物中传播的重要途径（Li等人，2025b），因此需要关注硫酸盐对移动遗传元件（MGEs）和相关功能基因的影响。证据表明，许多非抗生素外源性物质可以调节细胞膜通透性、SOS反应和三磷酸腺苷（ATP）生成等关键生化过程，最终促进ARGs的水平传播（Luo等人，2023；Shi等人，2022）。同时，毒力因子基因（VFGs）也对ARGs的风险评估至关重要，因为它们可能使病原体感染人类（Yang等人，2023）。尽管现有的针对沉积物中硫酸盐积累的ARGs健康风险评估通常忽略了VFGs和MGEs的同时分析。

在这项研究中，使用从太湖采集的沉积物进行了为期60天的微宇宙实验，以探讨不同剂量硫酸盐添加是否以及如何影响ARGs、VFGs和MGEs的丰度以及细菌群落。研究假设沉积物中硫酸盐含量的增加可能会富集特定的ARBs，并促进HGT的潜力，从而增加整体ARGs的丰度。为了验证这些假设，采用了宏基因组方法来（i）确定不同处理条件下ARGs、VFGs和MGEs的丰度；（ii）揭示微生物群落结构和ARBs的变化；（iii）探索参与硫酸盐还原和HGT的功能基因。这项研究全面了解了硫酸盐输入如何影响沉积物中的ARGs分布及其相关的健康风险。

章节摘录

样品采集与制备

本微宇宙实验使用的表层沉积物（0至15厘米深度）和水样（0.5米深度）采集于2024年5月（雨季），来自中国淡水湖太湖的西部区域（31°18′N，119°59′E）。该区域被认为受人类活动的影响较小（Gao等人，2024）。这个受影响较小的地点能够敏感地检测到硫酸盐驱动的ARG变化，基线抗生素浓度为0-0.5纳克/克干重，重金属含量为0-18.7毫克/千克

沉积物物理化学性质和硫循环基因的变化

如附录A图S1所示，在实验期间（0-30天），硫酸盐对沉积物pH值没有显著影响。在第45天和第60天，S600处理组的沉积物pH值明显高于对照组。然而，由于添加了不同浓度的硫酸盐，不同处理组之间的沉积物硫酸盐含量存在显著差异。随着实验的进行，S200、S400和S600处理组的沉积物硫酸盐含量呈下降趋势（图1a）。在第60天，硫酸盐

硫酸盐添加对沉积物中ARGs丰度的影响

正如假设的那样，沉积物中硫酸盐含量的增加与ARGs丰度的增加相关（图2）。这种增加可能是由于本地细菌群落产生的ARGs增多，而不是由于外源性ARGs的引入（Sun等人，2020）。具体来说，外排泵基因在添加硫酸盐的处理组中显著富集（附录A图S6），表明硫酸盐污染与人类健康风险因素之间存在潜在联系（Chen等人

结论

本研究采用宏基因组分析方法，全面探讨了添加硫酸盐后沉积物中ARGs的组成和丰度。结果显示，与对照组相比，高硫酸盐处理组的ARGs平均丰度增加了5.2%。不同处理组之间ARGs的组成和丰度存在显著差异，沉积物细菌被认为是影响这些变化的关键因素。同时，VFGs的丰度也有所增加

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的研究工作。

附录A 补充数据

与本文相关的补充数据可以在在线版本中找到。

CRediT作者贡献声明

张静静：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、概念化。陈娟：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。王超：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。王佩芳：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。冯冰冰：撰写——审阅与编辑、研究。张波：撰写——审阅与编辑

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的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52425902、52279061和U2443217）的支持。