《Journal of Hazardous Materials》：Eutrophic gradient-driven taxonomic and functional differentiation of cyanobacterial aggregates mediated the dissemination and risks of antibiotic resistance genes
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国祥友|严红霞|徐毅|吴旭新|黄成星|方海翔|苗凌湛|吴军|陈一强|侯军教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室，河海大学，中华人民共和国南京，210098摘要蓝藻聚集体（CA）是由蓝藻和附着细菌聚集形成的结构化群落，是抗生素抗性基因（ARGs）的重要储存库。然而，CA与ARGs对
国祥友|严红霞|徐毅|吴旭新|黄成星|方海翔|苗凌湛|吴军|陈一强|侯军
教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室，河海大学，中华人民共和国南京，210098
摘要
蓝藻聚集体（CA）是由蓝藻和附着细菌聚集形成的结构化群落，是抗生素抗性基因（ARGs）的重要储存库。然而，CA与ARGs对富营养化梯度的协同响应背后的生态机制和功能联系仍知之甚少。在这项系统研究中，我们分析了太湖9个富营养化区域的ARGs和CA群落。在藻华阶段，CA中的ARGs丰度高于浮游细菌，且ARGs丰度与营养级指数（TLI）之间存在显著的正相关（R2 = 0.439，p < 0.001）。具体而言，分类组成与ARGs宿主之间的耦合主要由环境选择决定，物种替代是主导过程。在高富营养化区域（TLI > 60），以微囊藻（Microcystis）藻华为主，蓝藻的增殖通过垂直转移显著促进了ARGs的富集，且在附着细菌中广泛检测到可转移的ARGs。然而，在轻度富营养化条件下（50 < TLI ≤ 60），以球藻目（Synechococcales）、原绿藻目（Prochlorotrichales）、念珠藻目（Nostocales）和振荡藻目（Oscillatoriales）为主，ARGs与多种宿主的共存可能增加了CA的生态风险。此外，高富营养化区域与轻度富营养化区域之间ARGs进化轨迹的差异与CA内的氮循环基因密切相关（R2 = 0.863，p < 0.001），因为随着TLI的降低，氮代谢途径从反硝化和异化硝酸盐还原转变为微囊藻相关反硝化菌的铵（DNRA）固定和蓝藻及相关固氮菌的固氮作用。本研究为了解CA中ARGs的动态提供了关键见解，并为制定针对富营养化湖泊生态系统中ARGs传播的策略提供了新的基础。
引言
抗生素抗性基因（ARGs）已成为全球性的重大问题，对环境和公共健康构成严重威胁[1]。水生抗性组的多样性使得ARGs在淡水生态系统中的传播更加复杂[2]。由于高营养负荷和有限的水力交换，湖泊特别容易积累ARGs[3]。加速的富营养化通过增加蓝藻有害藻华（CyanoHAB）的频率、强度和持续时间进一步促进了ARGs的传播[4]，因为蓝藻可以通过其分泌物中的抗菌化合物施加选择压力[5]。尽管之前已有研究关注单细胞蓝藻中的ARGs富集[6]，但形成藻华的物种通常会发展出较大的蓝藻聚集体（CA，>3 μm），这些聚集体与携带多种ARGs的本地细菌紧密互动[7]。先前的研究表明，这些聚集体中的蓝藻与大量附生细菌形成了共生关系[8]。在藻华的发展、维持和崩溃过程中，与藻类相关的细菌起着关键的调节作用。在CA中，蓝藻占据主导地位，而附生细菌可能占总丰度的50%以上，形成高度复杂的群落结构[8]。与自由生活的浮游细菌（PB，0.22~3 μm）相比，CA可能显著重塑ARGs的富集过程，并改变ARGs在营养梯度上的传播风险[9]。
大量证据表明，ARGs的存在是由微生物因素和与移动遗传元件（MGEs）相关的环境选择压力共同驱动的[10]。这一微生物-环境-MGE框架已被广泛应用于解释陆地和水生系统中的抗性组动态[11]。然而，越来越多的证据表明，微生物群落内的生态背景和生态位分化也可能在塑造自然环境中ARGs的流行中起关键作用[12]。宏基因组分析显示，与大型蓝藻菌落相关的细菌组合与附着在较小菌落或自由生活PB上的细菌组合有显著差异[13]，[14]。此外，携带MGEs的ARGs通常具有较高的水平基因转移（HGT）潜力，而垂直基因转移（VGT）则常与自然环境中微生物种群的扩张相关[15]。尽管有这些发现，但关于藻华衍生的CA动态以及微生物组装和生态位分化在富营养化湖泊中调节ARGs进化的程度仍知之甚少。这一差距限制了识别优先策略以减轻ARGs传播以及更广泛评估富营养化背景下生态风险的能力。
在富营养化湖泊中，CA最重要的生态功能之一是其参与氮生物地球化学循环，无论是通过反硝化和异化/同化硝酸盐还原为铵（ANRA/DNRA）来减少NO??，还是通过固氮作用进行同化[16]。许多研究表明，CA的积累通过提供易分解的有机碳（OC）增强了N?的产生，创造了缺氧微区，并改变了有机氮的通量[17]。然而，长期的CA积累导致生物可利用OC的增加和NO??可用性的减少，可能在富营养化湖泊中更有利于DNRA而非反硝化[18]。此外，营养状态还通过C/N比、氧气耗尽以及聚集体内的自养-异养相互作用等因素调节CA介导的硝酸盐分配[19]。关键的是，先前的研究表明，ARGs的表达与功能微生物群落的演替和生化活动对环境变化的适应密切相关[20]。尽管在废水处理系统中已鉴定出本土反硝化细菌是ARGs的转录活性宿主[21]，[22]，但在不同营养梯度下CA中ARGs与特定氮循环基因（NCGs）之间的关联仍大部分未得到解决。
为了阐明CA如何影响富营养化梯度上ARGs的分布和传播，选择了经常发生CyanoHAB和ARGs污染的亚热带湖泊太湖。通过宏基因组测序和宏基因组组装基因组（MAGs）来揭示CA内不同分类单元之间的生态位分化及其生态功能在空间和时间尺度上的演替模式。具体而言，本研究旨在：（i）验证CA在富营养化湖泊中塑造ARGs增殖和传播中的主导作用；（ii）基于生态位分化和微生物组装的生态框架，解析CA中ARGs的异质性；（iii）阐明CA群落的功能特征，以确定调节富营养化湖泊中ARGs动态的关键过程。我们的发现强调了特定蓝藻组成和CA群落功能在决定ARGs分布模式和传播风险方面的重要性，并为缓解全球范围内日益严重的CyanoHABs带来的生态风险提供了新的见解。
章节片段
样本采集和环境变量
2022年8月（藻华期）和2023年2月（非藻华期），从太湖9个区域的27个站点季节性地采集了地表水样本（图1），共获得108个样本。为了采集CA样本，首先从上层水柱（约0.1-0.5米）中抽取5升地表水，通过1毫米的筛网去除细根、粗颗粒和宏观碎片。鉴于太湖中的单个蓝藻细胞通常大于3 μm，
富营养化驱动的CA增殖促进了ARGs的富集
图S1-S2总结了太湖中跨时空梯度的水质变量。溶解氧（DO）、电导率（EC）和pH值表现出时间变化，其中DO在藻华期间通常较低，而营养水平（如COD、TN、TP、PP、NO??-N和NH??-N）在藻华阶段表现出明显的空间异质性。显然，西部区域（包括ML、ZS、WA、CL和SA）的营养污染比东部区域（包括GH、MS、XK和EA）更为严重。
富营养化诱导的特定CA群落塑造了ARGs的动态和风险模式
在本研究中观察到TLI与ARGs丰度之间存在强烈的正相关（图2D），这证实了先前的研究已经表明富营养化在抗性组进化中的正向调节作用[32]。此外，CA中的ARGs丰度显著高于浮游细菌（图2B），突显了CA在调节富营养化水体中抗性组动态中的关键作用[32]。鉴于全球变暖和富营养化
结论
本研究揭示了太湖中ARGs进化、CA分化和氮循环之间的对比 yet 相互关联的关系。CA的增殖与整个湖泊中ARGs负担的增加相关，但在高富营养化区域，尽管ARGs丰度较高，但由于转移潜力有限，生态风险并未相应增加。相比之下，轻度富营养化区域的ARGs丰度较低，但移动性和风险较高。
环境影响
在全球变暖和富营养化加速的背景下，蓝藻聚集体（CA）作为之前被忽视的微热点，放大了抗生素抗性基因（ARGs）在淡水湖泊中的持久性、进化和传播。我们的发现表明，富营养化驱动的CA群落结构和氮代谢途径的变化从根本上重塑了ARGs的传播模式和生态风险。值得注意的是，轻度和高富营养化条件
CRediT作者贡献声明
徐毅：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。吴旭新：可视化，软件，方法学，正式分析。黄成星：可视化，软件，调查，正式分析。方海翔：可视化，软件，方法学。苗凌湛：项目管理，概念化。吴军：撰写 – 审稿与编辑，资源获取。陈一强：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。侯军：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（项目编号42377378、42107386、U23A2058、42407190）、江苏省基础研究计划（BK20242056、BK20230763）、西藏自治区科技项目（XZ202501ZY0015、XZ202401YD0009）、中央高校基本科研业务费（B240201157、B230203006）以及中国科学技术协会青年精英科学家资助计划（JSTJ-2023-XH022）对项目的支持。
