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王禄山教授课题组研究成果在Bioresource Technology发表

发布日期:2022年05月25日    点击次数:

微生物技术国家重点实验室王禄山教授与山东鲁抗中和环保科技有限公司合作在抗生素菌渣绿色无害化及资源化研究中取得重要进展,相关成果以Integrated meta-omics study on rapid tylosin removal mechanism and dynamics of antibiotic resistance genes during aerobic thermophilic fermentation of tylosin mycelial dregs为题,在线发表于Bioresource Technology(一区top期刊,IF=9.642)。微生物技术国家重点实验室博士研究生沙国萌为第一作者,王禄山教授为论文唯一通讯作者,微生物技术国家重点实验室为第一作者单位和通讯作者单位。

抗生素是人类医学史上最伟大的发现之一,这一发现提高了人类对抗细菌感染的能力。几十年以来,抗生素产量的急剧增加满足了人类和动物在疾病治疗和促生长中的需求。据估计,全球每年抗生素的消耗量在63,000-240,000吨。中国每年的抗生素使用总量是美国和欧洲的五倍多。在众多的抗生素中,由Streptomyces xinghaiensis产生的泰乐菌素,由于广谱的抗菌作用、低毒、高效并且对动物具有明显的促生长作用,不与人类耐药性产生交叉等优点,已成为畜禽专用的抗生素。泰乐菌素大量生产过程中伴随着大量菌渣的产出,菌渣中残留的泰乐菌素会导致抗生素耐药基因及耐药菌的快速出现。未经处理的泰乐菌素菌渣排放入环境后,由转移元件介导的水平基因转移会促使耐药基因广泛传播,产生超级耐药菌,这将严重威胁人类健康并扰乱生态环境的动态平衡。因此,探索泰乐菌素菌渣中抗生素、耐药菌及耐药基因的有效去除以降低环境中抗生素耐药性已成为研究热点。

本研究利用整合宏组学技术、荧光定量PCR和HPLC等技术手段跟踪泰乐菌素菌渣和三种不同农业废弃物辅料的固态发酵过程,分析了泰乐菌素、耐药基因及微生物群落及其功能蛋白组的动态变化。结果表明,发酵进入14天时,所有处理过程泰乐菌素残留量均低于检测最低线。宏组学分析表明,泰乐菌素可通过Saccharomonospora的糖苷水解酶(GH3)水解泰乐菌素中碳霉糖、Saccharomonospora酯酶水解泰乐菌素内酯环的酯键以及Bacillus的过氧化氢酶-过氧化物酶可能参与了泰乐菌素的氧化过程快速降解残留的泰乐菌素。SaccharomonosporaBacillus与泰乐菌素快速降解的关系进一步在相关性网络分析中得到证实,这说明在泰乐菌素菌渣发酵过程中,细菌间的协同作用对泰乐菌素的降解转化起着重要作用。此外,水分含量和转移元件的有效控制对发酵末期耐药基因的反弹至关重要。以玉米芯为辅料TC21处理工艺中,耐药菌(StreptomycesPseudomonasnorank_f_ SphingobacteriaceaePaenalcaligenes)和转移元件(Intl1)的去除效率(98.8%)显著高于其它3个处理(88.3%),可有效抑制耐药基因(ARGs)的扩散。发酵过程中使用的三种辅料均为农业废弃物,增加辅料含量,可诱导堆肥中优势微生物演替并分泌更多降解木质纤维素的酶类,这种微生物群落的功能变化可进一步降低耐药菌的丰度,从而减少了耐药性相关基因在环境中的传播。因此,选用合适的发酵辅料可改变微生物群落的组成及丰度,从而降低耐药菌及其耐药基因的丰度,这对于有效降低泰乐菌素菌渣中抗生素及其切断耐药性传播具有重要意义。

该研究得到了山东省农业重大应用技术创新项目(NO.SD2019ZZ018),山东省重点研发计划(重大科技创新工程) (NO.2019JZZY010411),国家自然科学基因(NO. 32100022)的资助。山东鲁抗中和环保科技有限公司为本工作的顺利开展提供了重要支持。

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Graphical abstract:

王禄山教授课题组长期从事有机固体废弃物无害化资源化绿色化的相关工作,两年来也取得了系列成果。基于整合宏组学技术发现好氧堆肥可有效减少牛粪中耐药基因的传播和扩散(Journal of Hazardous Materials 2020,DOI:10.1016/j.jhazmat.2019.121895);基于整合宏组学技术阐明了大观霉素菌渣固态发酵中的关键功能微生物,提出了可有效降解菌渣中抗生素及耐药基因的二步法发酵策略,为高效、绿色抗生素菌渣大规模处理工艺的构建提供全新策略(Journal of Hazardous Materials 2021,DOI:10.1016/j.jhazmat.2021.126822);在鸡粪堆肥过程中分离到一株高产蛋白酶的菌株Bacillussp. CN2,并基于整合功能降解组学技术揭示了Bacillussp. CN2中高效的蛋白质降解系统(Applied Microbiology and Biotechnology 2021,DOI:10.1007/s00253-020-11083-z);在牛粪-玉米秸秆堆肥过程中加入蘑菇渣加速了堆肥进程,并定位到发酵过程中的功能微生物Planifilum fulgidum,其分泌大量的S8、M17和M32蛋白酶与木质纤维素酶形成优势菌群(Sustainability 2021,DOI:10.3390/su131810002)等;期望为有机固体废弃物的高效降解转化及工艺的构建提供理论基础。

【 作者:沙国萌   来源:微生物技术研究院    责任编辑:刘璇 】

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