Belebtschlamm ist für die Entfernung von Schadstoffen aus dem Abwasser unerlässlich, und das Verständnis der darin enthaltenen vielfältigen mikrobiellen Gemeinschaften war eine wichtige Aufgabe. Herkömmliche Methoden erfassen nicht das gesamte Spektrum mikrobieller Interaktionen. Aufgrund dieser Einschränkungen erkannten die Forscher die Notwendigkeit von Untersuchungen auf Einzelzellebene, um tiefere Einblicke in die mikrobielle Heterogenität zu gewinnen.
Unter der Leitung der University of Hong Kong und veröffentlicht In Umweltwissenschaften und Ökotechnologie Am 19. September 2024 wandte die Studie die Einzelzellsequenzierung auf Proben aus einer Abwasseranlage in Hongkong an. Diese Methode überwand die Einschränkungen der traditionellen Metagenomik, enthüllte die komplizierten genetischen Netzwerke innerhalb mikrobieller Gemeinschaften und eröffnete neue Perspektiven für den Gentransfer von Antibiotikaresistenzgenen.
Das Forschungsteam sequenzierte 15.110 einzelne mikrobielle Zellen, klassifizierte sie in 2.454 einfach amplifizierte Genom-Bins und entdeckte, dass 27,5 % bisher nicht klassifizierte Arten darstellen. Die Identifizierung von 1.137 ARGs sowie zahlreicher Plasmide und Phagen unterstrich den häufigen horizontalen Gentransfer zwischen Arten.
Es wurde festgestellt, dass Plasmide maßgeblich an der Verbreitung von ARGs beteiligt sind, was Bedenken hinsichtlich der möglichen Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen aufkommen lässt. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer genaueren Überwachung der Abwassersysteme, um Risiken für die öffentliche Gesundheit vorzubeugen.
Diese Studie markiert die erste Anwendung der Hochdurchsatz-Einzelzellsequenzierung zur Analyse des Belebtschlamm-Mikrobioms (AS). Bei der Analyse wurden 1.137 Antibiotikaresistenzgene, 10.450 Plasmidfragmente und 1.343 Phagen-Contigs entdeckt. Die gemeinsamen Beziehungen für Plasmid- (12.819) und Phagenwirte (184) weisen auf eine hohe Häufigkeit des horizontalen Gentransfers hin. Darüber hinaus wurde ein Satz von 1.529 aus Metagenomen zusammengesetzten Genomen verwendet, um 98 zuvor nicht klassifizierte SAG-Bins weiter zu klassifizieren.
Prof. Tong Zhang, der leitende Forscher, erklärt: „Unsere Forschung unterstreicht die Leistungsfähigkeit der Einzelzellsequenzierung bei der Aufdeckung der verborgenen Dynamik in der Abwasseraufbereitung. Diese Erkenntnisse zum Antibiotikaresistenz-Gentransfer ebnen den Weg für verbesserte Überwachungs- und Eindämmungsstrategien entscheidend für den Schutz der öffentlichen Gesundheit im Rahmen eines One-Health-Ansatzes.“
Die Forschung hat weitreichende Auswirkungen, insbesondere hinsichtlich der Verbesserung von Abwasserbehandlungsprozessen und der Eindämmung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen. Die Fähigkeit, ARGs auf Einzelzellenebene zu verfolgen, könnte zukünftige Umweltpolitiken und Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit beeinflussen und gleichzeitig neue Möglichkeiten für Anwendungen in anderen Ökosystemen wie dem Boden und dem menschlichen Darm eröffnen.
Weitere Informationen:
Yulin Zhang et al., Hochdurchsatz-Einzelzellsequenzierung des Belebtschlamm-Mikrobioms, Umweltwissenschaften und Ökotechnologie (2024). DOI: 10.1016/j.ese.2024.100493