2020-03-06浏览量:561

『锐翌新文』空气微小颗粒可附着微生物,或可传播人类致病菌

3月3日,国家卫健委新公布了《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第七版)》。其中显示:在相对封闭的环境中长时间暴露于高浓度气溶胶情况下中存在经气溶胶传播的可能。新型冠状病毒的传播途径是大家非常关心的话题,病毒是否可以通过气溶胶传播也引起了不小的争论。

 

近日,同济大学附属第十人民医院秦楠研究员与清华大学朱听教授、加州大学圣地亚哥分校Jack Gilbert 教授在《Genome biology》合作发表研究成果《Longitudinal survey of microbiome associated with particulate matter in a megacity》,对北京市一定时期内空气颗粒物所附着的微生物种类,及其对城市公共卫生的影响,进行了纵向调查。

 

文献ID

题目:Longitudinal survey of microbiome associated with particulate matter in a megacity

译名:城市空气颗粒物相关微生物群落的纵向调查

期刊:Genome biology       IF:14.028

发表时间:2020年3月3日

通讯作者:秦楠、朱听、Jack Gilbert

合作单位:同济大学附属第十人民医院、清华大学、加州大学圣地亚哥分校、锐翌生物

 

背景

虽然大气颗粒物(PM)的物理和化学性质已经得到了广泛研究,但其相关的微生物群落仍未得到充分探究。本研究对2012年10月至2013年3月6个月期间(覆盖北京几次严重的雾霾事件),北京空气中细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)所附着的微生物以宏基因组测序的方法进行了纵向调查。

 

结果

研究者观察到,尽管时间周期跨越度非常大,PM2.5和PM10各自的微生物组成和潜在功能是保守的。在空气传播的微生物中,Propionibacterium acnes(痤疮丙酸杆菌)、Escherichia coli(大肠埃希氏菌)、Acinetobacter lwoffii(鲁氏不动杆菌)、Lactobacillus amylovorus(嗜淀粉乳杆菌)、Lactobacillus reuteri(罗伊氏乳杆菌)以及几种病毒占较大比例。研究者还进一步确定了颗粒附着微生物中所广泛涉及的抗生素抗性基因和解毒功能基因,包括转运蛋白、转肽酶和硫氧还蛋白等。这其中,许多微生物种类(包括可能来源于人、狗、小鼠粪便的微生物)的检出率与空气质量指数(AQI)具有显著的相关性。本次研究首次证明,空气颗粒物附着的微生物种类及功能具有丰富的多样性,甚至与土壤和水环境中的微生物多样性相当。

 

结论

空气颗粒物附着的微生物具有极丰富的物种及功能多样性,其中一些微生物可能与潜在的公共卫生问题相关。

 

研究技术路线

 

测序产品及平台

宏基因组测序, Illumina Hiseq 4000测序平台,PE150测序策略

 

研究成果

1、空气PM2.5颗粒和PM10颗粒微生物组成和差异分析

基于MetaPhlAn2数据库,绝大多数样品的宏基因组测序序列注释到细菌(PM2.5:95.5%,PM10:95.5%),其次是真核生物(PM2.5:1.5%,PM10:2.2%)、古细菌(PM2.5:0.2%,PM10:0.2%)和病毒(PM2.5:2.8%,PM10:4.5%)(图1b)。除PM10颗粒真核生物Shannon指数显著高于PM2.5颗粒(P<0.01)外,两组间在其他物种和基因的α和β多样性分析均无统计学差异(图1c,d);在6个月期间,细菌门水平的10个优势物种发生显著变化,其中包括在2013年1月的两次严重雾霾事件中,PM10颗粒样品中厚壁菌门出现显著峰值(P<0.05,图1e)。此外,在1月下旬和2月,PM2.5和PM10样品中注释到病毒的reads比例也呈现出显著峰值(图1e,P<0.01)。

 

图1 空气颗粒物微生物组成情况

 

样品宏基因组测序序列注释比对了702种细菌、27种真核生物、56种病毒和14种古细菌,其中相对丰度前50的物种占总序列数的71.7%±11.8%(细菌94.6%、真核生物1.4%和病毒4%)。虽然多数相对丰度前50的物种在PM2.5颗粒和PM10颗粒中没有显著差异,但其相对丰度随时间变化很大(图2a)。相对丰度前50的物种中,有4个物种,即Lactobacillus amylovorus(嗜淀粉乳杆菌)、Lactobacillus reuteri(罗伊氏乳杆菌)、Ustilago maydis(玉米黑粉菌)和Porcine type C oncovirus(猪C型肿瘤病毒)在PM10颗粒中的相对丰度显著高于PM2.5 颗粒(校正后P<0.1)。值得注意的是,在两组样品中表现出显著差异的30个物种中,有29种富集在PM10颗粒,而只有1种富集在PM2.5颗粒(校正后的P<0.1)。

 

将微生物组成的差异校正距离(Bray-Curtis距离)与主要的气象学因素相关联,发现气温和露点温度与PM样品中物种组成相关性最强(图2b)。研究者还发现在PM2.5颗粒和PM10颗粒样品中存在人类病原体DNA片段,这些有害微生物的序列数仅与PM浓度呈弱相关性(图2c);一些病原体的相对丰度在1月达到峰值,这也与研究期间最严重的雾霾事件相吻合。

 

图2 空气颗粒物相对丰度较高的微生物种类及其与气象学因素的相关性分析

 

StrainPhlAn分析结果表明,在一些相对丰度较高的物种中发生了菌株水平上的变异,如Acinetobacter lwoffi(鲁氏不动杆菌)、Acinetobacter johnsonii(约氏不动杆菌)、 Escherichia coli(大肠埃希氏菌)、 Kocuria sp. UCR OTCP、Pantoea ananatis(菠萝泛菌)、 Pantoea dispersa(分散泛菌)、 Propionibacterium acnes(痤疮丙酸杆菌)和 Rhodococcus sp. R04(红球菌 R04)。

 

综合来看,研究者观察到PM2.5和PM10颗粒微生物的相似性和差异;PM10或更大颗粒可能是由较小颗粒聚集形成的,这可以解释两种类型PM样品间微生物结构的相似性;PM2.5和PM10两组样品间的不同微生物结构可能是由于颗粒直径不同造成的,因为PM2.5与细菌的大小相似,而PM10与真菌的大小相似。

 

2、空气颗粒微生物核心功能基因分析

研究者试图确定PM污染物、肠道微生物和海洋微生物之间的核心功能基因重叠,以确定核心功能类别,并比较它们在每个数据库中的相对重要性。为此,研究者从所有PM样品中构建了一个包含4,301,891个微生物基因的非冗余基因集,分别包括3,278,420个原核基因和1,023,471个真核基因。与人肠道微生物和海洋相关微生物相比,PM核心包含的功能基因和直系同源基因(OG)的多样性明显减少,这可能反映了颗粒物中较低的生物量和限制性的选择压力(校正后P<0.05,图3a-c)。

 

图3 PM、海洋和肠道微生物基因集和PM微生物网络拓扑变量的比较

 

接下来,研究者鉴定了可能对35种抗生素产生耐药性的基因。结果发现,在整个研究期间,编码抗生素抗性基因的比例保持稳定,且抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的RPKM值(reads per kilobase per million reads)在PM2.5颗粒和PM10颗粒间没有显著差异(图4a,b),这表明在这种环境下普遍的选择压力。编码青霉烷类抗性基因在PM2.5颗粒和PM10颗粒中所占比例最大(图4c),而总体上TEM型β-内酰胺酶是最丰富的一类(图4d)。此外,研究者还发现了PM样品中的几种解毒基因(detoxification genes),包括转运蛋白(ACR转运蛋白、MatEMFS)、转肽酶和硫氧还蛋白,其中MFS 1基因占比最大(图4e,f)。与人肠道微生物和海洋相关微生物相比,PM样品不同ARGs和解毒基因数量最大(校正后P<0.01),但相应的RPKM值与人肠道微生物相同(图4g-j)。使用与移动遗传元件(mobile genetic elements ,MGEs)相关的ARGs的百分比评估PM样品中ARGs的风险。经统计,有982个(5.0%) contigs至少含有一个MGE,379个(1.9%) contigs包含多重耐药基因簇( multidrug resistance clusters,MDRCs)。最值得注意的是,在雾霾最严重的1月份,ARG风险达到了一个显著的峰值。

 

图4 两种类型PM及与人肠道、海洋微生物含有的抗性基因和解毒基因比较分析

 

随后,研究者采用网络分析来检查具有不同PM度量样品中的微生物结构和共生模式。研究者使用中心性、接近中心性和度中心性等参数来表征两组样品的微生物结构。分析结果表明,网络复杂度与较高的中介中心性、较低的接近中心性和较高的度中心性有关,PM10颗粒的网络复杂度更高(图3d,e,校正后P<0.05)。同样PM10颗粒具有更密集的网络,这表明在6个月期间,有更多的分类群具有相似的分布;且与PM2.5颗粒样品相关的分类群相比,PM10颗粒具有更大的共关联度。

 

3、基于空气质量指数,PM2.5颗粒和PM10颗粒物种和基因多样性分析

根据空气质量指数(AQI)分类,研究者将PM2.5和PM10样品划分为五个不同分组,两组间的物种和基因多样性均不同(图5)。PM10颗粒样品在AQI I组中的物种多样性均低于AQI III组和AQI IV组(图5d-k,校正后P<0.05)。AQI II组中的解毒基因数量大于AQI I组(校正后P<0.05)。

 

图5 根据AQI分类,两种类型PM的物种和基因多样性情况

 

研究者还发现,基于5个AQI组的PM10颗粒样品中各个物种的检出率动态,可将物种分为4个集群(图6a):Cluster 1中包含超过一半的物种,这些物种通常在不到10%的PM样品中能够检测到;Clusters 2和3中的物种检出率在AQI II-V组明显增加,而在AQI I组中较低;除AQI V组外,其余各组的检出率均低于0.5,而Cluster 3的物种在各组中的检出率均高于0.5;4个集群中物种数量最少的Cluster 4,在所有PM样品(五个AQI组)中,保持了接近于1的高检出率。且在门和种水平,这4个集群的物种组成均有显著差异(图6b、c)。

 

图6 PM10颗粒样品的5个PM浓度中各个物种的检出率聚类结果

 

随后,研究者使用MaAsLin计算了物种与污染物浓度之间的相关系数。总体而言,PM10颗粒中有152个物种与污染物浓度相关,显著高于PM2.5颗粒(49个物种,校正后P<0.1)。更重要的是,PM10颗粒样品中检测到的多数物种相对丰度在低AQI水平(I或II)和高AQI水平(IV或V)间存在显著差异,而在PM2.5颗粒中却没有表现出这样的结果(校正后P<0.1)。与人类感染相关的微生物,如Pseudomonas aeruginosa(铜绿假单胞菌)与PM2.5颗粒和PM10颗粒样品的污染物浓度均呈正相关(校正后P<0.05),Stenotrophomonas maltophilia(嗜麦芽窄食单胞菌)与PM10样品中污染物浓度呈正相关。此外,雾霾最严重的1月份有72个微生物出现了明显的高峰值,其中包括许多人类相关共生菌和潜在病原体,如P. aeruginosa(铜绿假单胞菌)、S. maltophilia(嗜麦芽窄食单胞菌)和Talaromyces marneffei(马尔尼菲篮状菌),以及潜在的鸡相关病原体,如Gallid herpesvirus(禽疱疹病毒)和avian endogenous retrovirus(禽内源性逆转录病毒,AEV)。

 

最后,结合现有的人、狗、猪和小鼠粪便宏基因组数据库,研究者研究了不同潜在来源的微生物与五个AQI组之间的关系。随着污染物浓度的增加,人、狗和猪肠道相关微生物在PM2.5颗粒(相关系数r分别为0.36、0.37、0.33,校正后P<0.05)和PM10颗粒(相关系数r分别为0.50、0.54、0.43,校正后<0.01)样品中的比例显著增加,其中PM10样品的趋势更为明显(图5l)。与PM2.5颗粒样品相比,在PM10颗粒样品中人粪便相关的微生物也存在显著差异(P=0.029,基于Bray-Curtis距离度量的物种丰度Anosim检验)。

 

研究亮点和未来方向

1、本研究揭示了北京空气颗粒微生物种类和抗性基因的多样性;

①随着空气污染水平的增加(严重的雾霾事件),潜在病原体载量和抗生素耐药性增加,促进了人在病原菌及抗性基因环境下的暴露。

②空气颗粒物还含有若干携带抗性基因的细菌,且这些抗性基因可能存在水平基因转移。

2、基于空气质量指数的分析显示,许多微生物(包括一些哺乳动物的肠道微生物)在5种不同空气质量指数的样品中变化明显,且这种依赖于空气质量指数的动态变化受颗粒物大小影响。

3、本研究有助于我们更好地理解依赖颗粒物大小的微生物动力学,尤其是与不同雾霾事件相关的微生物动力学。

4、本研究为城市空气颗粒物相关微生物来源于潜在环境及哺乳动物提供了更多的证据,并从微生物角度解释了不同空气污染水平与潜在健康风险相关。

 

公司介绍

上海锐翌生物科技有限公司成立于2014年10月,是一家专业从事基因科技健康服务的国家高新技术企业。锐翌生物依托高通量测序技术平台,专注于人体微生物组前沿技术和研究成果在基础科研领域的突破,以及在医学上的转化应用。助力高等院校、科研机构或医院的科研工作者多角度、全面地探究和解决科学问题,助力更多优质科研成果发表。同时,在大肠癌早期筛查临床病原宏基因组检测健康管理等精准医疗领域开发检测技术及应用方案,致力于为医疗机构提供疾病早期检测和健康综合管理服务,目前已和全国300多家顶级医院达成深度合作。   

 

公司于2018年获评“上海闵行十大科技创业新锐”企业称号,目前已在杭州、青岛、济南、贵阳等地成立区域中心。其中,济南医学检验所于2016年被授予“国家基因检测技术应用示范中心”称号,青岛医学检验所于2019年9月投入使用。

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