ブラックソルジャーハエ幼虫による抗生物質分解過程における腸内細菌群集の変化と抗生物質耐性遺伝子の発現率

Changes in gut bacterial communities and the incidence of antibiotic resistance genes during degradation of antibiotics by black soldier fly larvae.

• Cuncheng Liu
• Huaiying Yao
• Stephen J Chapman
• Jianqiang Su
• Cunwen Wang

抄録

クロソルジャーバエは帰化性昆虫であるため、有機性廃棄物を環境に優しい方法で効率的に消化することができる。しかし、この昆虫の抗生物質分解能力と効率、およびそれに関与する微生物機構については、ほとんど明らかにされていない。そこで、ブラックソルジャーハエの幼虫（幼虫）によるOTC（オキシテトラサイクリン）の分解過程の詳細を得るために、腸内細菌群集の変化を調べた。幼虫の腸内には、ARG（抗生物質耐性遺伝子）とMGE（移動性遺伝要素）の両方が認められた。分解期間終了時には，初期濃度100，1000，2000mgkg（乾燥重量）の場合，OTCの82.7％，77.6％，69.3％が幼虫によって分解され，幼虫がいない場合の分解効率（19.3～22.2％）よりもはるかに高かった。幼虫の発育にはOTCの明らかな効果は認められなかった。幼虫の腸内微生物はOTCの影響を受けたが、変化した環境に適応した。腸内のEnterococcus、Ignatzschineria、Providencia、Morganella、PaenalcaligenesおよびActinomycesは抗生物質曝露に強く反応した。興味深いことに、多数のARG（具体的には180個のARGと10個のMGE）が発見され、幼虫腸内のintegron-integrase遺伝子とトランスポッサーゼの両方の遺伝子と有意に相関していた。検出されたすべてのARGのうち、テトラサイクリン耐性遺伝子は比較的高いレベルで発現し、全体の67％を占めていた。特に、Enterococcus、Ignatzschineria、Bordetella、ProvidenciaおよびProteusは、いずれもOTCの効果的な分解を可能にするテトラサイクリンの酵素修飾遺伝子を腸内で宿主としていた。これらの知見は、OTCが効果的に分解できることを示しており、幼虫による抗生物質汚染のバイオレメディエーションが強化されることを証明している。また、形成されるARGやMGEの豊富さは、環境健康リスク評価システムにおいて注目され、考慮されるべきである。

As a saprophytic insect, the black soldier fly can digest organic waste efficiently in an environmentally friendly way. However, the ability and efficiency of this insect, and the microbial mechanisms involved, in the degradation of antibiotics are largely uncharacterized. To obtain further details during the degradation of OTC (oxytetracycline) by black soldier fly larvae (larvae), the changes in intestinal bacterial communities were examined. Both ARGs (antibiotic resistance genes) and MGEs (mobile genetic elements) were found within the larval guts. At the end of the degradation period, 82.7%, 77.6% and 69.3% of OTC was degraded by larvae when the initial concentrations were 100, 1000 and 2000 mg kg (dry weight), respectively, which was much higher than the degradation efficiencies (19.3-22.2%) without larvae. There was no obvious effect of OTC on the development of the larvae. Although the larval gut microorganisms were affected by OTC, they adapted to the altered environment. Enterococcus, Ignatzschineria, Providencia, Morganella, Paenalcaligenes and Actinomyces in the gut responded strongly to antibiotic exposure. Interestingly, numerous ARGs (specifically, 180 ARGs and 10 MGEs) were discovered, and significantly correlated with those of both integron-integrase gene and transposases in the larval gut. Of all the detected ARGs, tetracycline resistance genes expressed at relatively high levels and accounted for up to 67% of the total ARGs. In particular, Enterococcus, Ignatzschineria, Bordetella, Providencia and Proteus were all hosts of enzymatic modification genes of tetracycline in the guts that enabled effective degradation of OTC. These findings demonstrate that OTC can be degraded effectively and prove that the bioremediation of antibiotic contamination is enhanced by larvae. In addition, the abundance of ARGs and MGEs formed should receive attention and be considered in environmental health risk assessment systems.

Copyright © 2020 The Authors. Published by Elsevier Ltd.. All rights reserved.