Please wait a minute...
Frontiers of Medicine

ISSN 2095-0217

ISSN 2095-0225(Online)

CN 11-5983/R

Postal Subscription Code 80-967

2018 Impact Factor: 1.847

Front. Med.    2017, Vol. 11 Issue (2) : 161-168     DOI: 10.1007/s11684-017-0531-x
The antibiotic resistome: gene flow in environments, animals and human beings
Yongfei Hu1,2,3(), George F. Gao1,2,3,4,5, Baoli Zhu1,2,3()
1. CAS Key Laboratory of Pathogenic Microbiology and Immunology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2. Beijing Key Laboratory of Microbial Drug Resistance and Resistome, Beijing 100101, China
3. Collaborative Innovation Center for Diagnosis and Treatment of Infectious Diseases, The First Affiliated Hospital, Zhejiang University, Hangzhou 310006, China
4. Research Network of Immunity and Health (RNIH), Beijing Institutes of Life Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
5. Office of Director-General, Chinese Center for Disease Control and Prevention (China CDC), Beijing 102206, China
Download: PDF(173 KB)   HTML
Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks

The antibiotic resistance is natural in bacteria and predates the human use of antibiotics. Numerous antibiotic resistance genes (ARGs) have been discovered to confer resistance to a wide range of antibiotics. The ARGs in natural environments are highly integrated and tightly regulated in specific bacterial metabolic networks. However, the antibiotic selection pressure conferred by the use of antibiotics in both human medicine and agriculture practice leads to a significant increase of antibiotic resistance and a steady accumulation of ARGs in bacteria. In this review, we summarized, with an emphasis on an ecological point of view, the important research progress regarding the collective ARGs (antibiotic resistome) in bacterial communities of natural environments, human and animals, i.e., in the one health settings. We propose that the resistance gene flow in nature is “from the natural environments” and “to the natural environments”; human and animals, as intermediate recipients and disseminators, contribute greatly to such a resistance gene “circulation.”

Keywords antibiotic resistance      resistome      microbiome      gene flow     
Corresponding Authors: Yongfei Hu,Baoli Zhu   
Just Accepted Date: 19 April 2017   Online First Date: 16 May 2017    Issue Date: 01 June 2017
URL:     OR
Tab.1  Representative studies characterizing the antibiotic resistome
Fig.1  The antibiotic resistome gene flow in environments, human, and animals. We propose that the antibiotic resistome gene flow is “form the natural environments” and “to the natural environments.” The natural environments are the reservoirs for antibiotic resistome. The original ARGs in environmental bacteria can be captured by human or animal pathogens and gradually evolved under the antibiotic selection pressure and become qualified. These ARGs or ARG-bearing bacteria are then disseminated back to the natural environments due to the human activities on producing and using antibiotics. In most cases, the ARGs are more easily transferred within respective ecological niches (the natural environments, and the human- and animal-associated environments). This resistance gene flow scenario is not very applicable to antibiotic resistance caused by chromosomal mutation.
41 Rowe-Magnus DA, Mazel  D. The role of integrons in antibiotic resistance gene capture. Int J Med Microbiol 2002; 292(2): 115–125
doi: 10.1078/1438-4221-00197
42 Hu Y, Zhu  Y, Ma Y ,  Liu F, Lu  N, Yang X ,  Luan C, Yi  Y, Zhu B . Genomic insights into intrinsic and acquired drug resistance mechanisms in Achromobacter xylosoxidans. Antimicrob Agents Chemother 2015; 59(2): 1152–1161
doi: 10.1128/AAC.04260-14
43 Dobrindt U, Hochhut  B, Hentschel U ,  Hacker J . Genomic islands in pathogenic and environmental microorganisms. Nat Rev Microbiol 2004; 2(5): 414–424
doi: 10.1038/nrmicro884
44 Fournier PE, Vallenet  D, Barbe V ,  Audic S ,  Ogata H ,  Poirel L ,  Richet H ,  Robert C ,  Mangenot S ,  Abergel C ,  Nordmann P ,  Weissenbach J ,  Raoult D ,  Claverie JM . Comparative genomics of multidrug resistance in Acinetobacter baumannii. PLoS Genet 2006; 2(1): 62–72
doi: 10.1371/journal.pgen.0020007
45 Hu Y, Yang  X, Li J ,  Lv N, Liu  F, Wu J ,  Lin IYC ,  Wu N, Weimer  BC, Gao GF ,  Liu Y, Zhu  B. The bacterial mobile resistome transfer network connecting the animal and human microbiomes. Appl Environ Microbiol 2016; 82(22): 6672–6681
doi: 10.1128/AEM.01802-16
46 Thomas CM, Nielsen  KM. Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria. Nat Rev Microbiol 2005; 3(9): 711–721
doi: 10.1038/nrmicro1234
47 Popa O, Dagan  T. Trends and barriers to lateral gene transfer in prokaryotes. Curr Opin Microbiol 2011; 14(5): 615–623
doi: 10.1016/j.mib.2011.07.027
48 Forsberg KJ, Patel  S, Gibson MK ,  Lauber CL ,  Knight R ,  Fierer N ,  Dantas G . Bacterial phylogeny structures soil resistomes across habitats. Nature 2014; 509(7502): 612–616
doi: 10.1038/nature13377
49 Smillie CS, Smith  MB, Friedman J ,  Cordero OX ,  David LA ,  Alm EJ. Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome. Nature 2011; 480(7376): 241–244
doi: 10.1038/nature10571
50 Gibson MK, Forsberg  KJ, Dantas G . Improved annotation of antibiotic resistance determinants reveals microbial resistomes cluster by ecology. ISME J 2015; 9(1): 207–216
doi: 10.1038/ismej.2014.106
51 Smith HW. Transfer of antibiotic resistance from animal and human strains of Escherichia coli to resident E. coli in the alimentary tract of man. Vet Rec 1969; 85(2): 31–33
doi: 10.1136/vr.85.2.31
52 Rodriguez-Mozaz S, Chamorro  S, Marti E ,  Huerta B ,  Gros M, Sànchez-Melsió  A, Borrego CM ,  Barceló D ,  Balcázar JL . Occurrence of antibiotics and antibiotic resistance genes in hospital and urban wastewaters and their impact on the receiving river. Water Res 2015; 69: 234–242
doi: 10.1016/j.watres.2014.11.021
1 Rossolini GM, Arena  F, Pecile P ,  Pollini S . Update on the antibiotic resistance crisis. Curr Opin Pharmacol 2014; 18: 56–60
doi: 10.1016/j.coph.2014.09.006
2 O’Neill J. Antimicrobial resistance: tackling a crisis for the health and wealth of nations. Rev Antimicrob Resist 2014; doi:10.1038/510015a 
doi: 10.1038/510015a
53 Korzeniewska E, Korzeniewska  A, Harnisz M . Antibiotic resistant Escherichia coli in hospital and municipal sewage and their emission to the environment. Ecotoxicol Environ Saf 2013; 91: 96–102
doi: 10.1016/j.ecoenv.2013.01.014
54 Gotz A, Smalla  K. Manure enhances plasmid mobilization and survival of Pseudomonas putida introduced into field soil. Appl Environ Microbiol 1997; 63(5): 1980–1986
55 Winokur PL, Vonstein  DL, Hoffman LJ ,  Uhlenhopp EK ,  Doern GV . Evidence for transfer of CMY-2 AmpC β-lactamase plasmids between Escherichia coli and Salmonella isolates from food animals and humans. Antimicrob Agents Chemother 2001; 45(10): 2716–2722
doi: 10.1128/AAC.45.10.2716-2722.2001
56 Moubareck C, Bourgeois  N, Courvalin P ,  Doucet-Populaire F . Multiple antibiotic resistance gene transfer from animal to human enterococci in the digestive tract of gnotobiotic mice. Antimicrob Agents Chemother 2003; 47(9): 2993–2996
doi: 10.1128/AAC.47.9.2993-2996.2003
57 No author listed. Antimicrobial resistance: implications for the food system. An expert report, funded by the IFT Foundation. Compr Rev Food Sci F 2006; 5(3): 71–137
doi: 10.1111/j.1541-4337.2006.00004.x
58 Hu Y, Liu  F, Lin IY ,  Gao GF, Zhu  B. Dissemination of the mcr-1 colistin resistance gene. Lancet Infect Dis 2016; 16(2): 146–147
doi: 10.1016/S1473-3099(15)00533-2
59 Graham DW, Collignon  P, Davies J ,  Larsson DG ,  Snape J . Underappreciated role of regionally poor water quality on globally increasing antibiotic resistance. Environ Sci Technol 2014; 48(20): 11746–11747
doi: 10.1021/es504206x
60 Arnold KE, Williams  NJ, Bennett M . ‘Disperse abroad in the land’: the role of wildlife in the dissemination of antimicrobial resistance. Biol Lett 2016; 12(8): 20160137
doi: 10.1098/rsbl.2016.0137
3 Laxminarayan R, Amabile-Cuevas  CF, Cars O ,  Evans T ,  Heymann DL ,  Hoffman S ,  Holmes A ,  Mendelson M ,  Sridhar D ,  Woolhouse M ,  Røttingen JA . UN High-Level Meeting on antimicrobials—what do we need? Lancet 2016; 388(10041): 218–220
doi: 10.1016/S0140-6736(16)31079-0
4 Abraham EP, Chain  E. An enzyme from bacteria able to destroy penicillin. Nature 1940; 146(3713): 837
doi: 10.1038/146837a0
61 Vittecoq M, Godreuil  S, Prugnolle F ,  Durand P ,  Brazier L ,  Renaud N ,  Arnal A ,  Aberkane S ,  Jean-Pierre H ,  Gauthier-Clerc M ,  Thomas F ,  Renaud F . Antimicrobial resistance in wildlife. J Appl Ecol 2016; 53(2): 519–529
doi: 10.1111/1365-2664.12596
62 Martinez JL. Environmental pollution by antibiotics and by antibiotic resistance determinants. Environ Pollut 2009; 157(11): 2893–2902
doi: 10.1016/j.envpol.2009.05.051
63 Pruden A, Pei  RT, Storteboom H ,  Carlson KH . Antibiotic resistance genes as emerging contaminants: studies in northern Colorado. Environ Sci Technol 2006; 40(23): 7445–7450
doi: 10.1021/es060413l
64 Laxminarayan R, Duse  A, Wattal C ,  Zaidi AK ,  Wertheim HF ,  Sumpradit N ,  Vlieghe E ,  Hara GL ,  Gould IM ,  Goossens H ,  Greko C ,  So AD, Bigdeli  M, Tomson G ,  Woodhouse W ,  Ombaka E ,  Peralta AQ ,  Qamar FN ,  Mir F, Kariuki  S, Bhutta ZA ,  Coates A ,  Bergstrom R ,  Wright GD ,  Brown ED ,  Cars O. Antibiotic resistance—the need for global solutions. Lancet Infect Dis 2013; 13(12): 1057–1098
doi: 10.1016/S1473-3099(13)70318-9
65 Nathan C, Cars  O. Antibiotic resistance-problems, progress, and prospects. N Engl J Med 2014; 371(19): 1761–1763
doi: 10.1056/NEJMp1408040
66 McCullough AR, Parekh  S, Rathbone J ,  Del Mar CB ,  Hoffmann TC . A systematic review of the public’s knowledge and beliefs about antibiotic resistance. J Antimicrob Chemother 2016; 71(1): 27–33
doi: 10.1093/jac/dkv310
5 Alanis AJ. Resistance to antibiotics: are we in the post-antibiotic era? Arch Med Res 2005; 36(6): 697–705
doi: 10.1016/j.arcmed.2005.06.009
6 D’Costa VM, King  CE, Kalan L ,  Morar M ,  Sung WWL ,  Schwarz C ,  Froese D ,  Zazula G ,  Calmels F ,  Debruyne R ,  Golding GB ,  Poinar HN ,  Wright GD . Antibiotic resistance is ancient. Nature 2011; 477(7365): 457–461
doi: 10.1038/nature10388
7 Riesenfeld CS, Goodman  RM, Handelsman J . Uncultured soil bacteria are a reservoir of new antibiotic resistance genes. Environ Microbiol 2004; 6(9): 981–989
doi: 10.1111/j.1462-2920.2004.00664.x
8 Sommer MOA, Dantas  G, Church GM . Functional characterization of the antibiotic resistance reservoir in the human microflora. Science 2009; 325(5944): 1128–1131
doi: 10.1126/science.1176950
9 D’Costa VM, McGrann  KM, Hughes DW ,  Wright GD . Sampling the antibiotic resistome. Science 2006; 311(5759): 374–377
doi: 10.1126/science.1120800
10 Wright GD. The antibiotic resistome: the nexus of chemical and genetic diversity. Nat Rev Microbiol 2007; 5(3): 175–186
doi: 10.1038/nrmicro1614
11 Davies J, Davies  D. Origins and evolution of antibiotic resistance. Microbiol Mol Biol Rev 2010; 74(3): 417–433
doi: 10.1128/MMBR.00016-10
12 Martinez JL. Antibiotics and antibiotic resistance genes in natural environments. Science 2008; 321(5887): 365–367
doi: 10.1126/science.1159483
13 Allen HK, Donato  J, Wang HH ,  Cloud-Hansen KA ,  Davies J ,  Handelsman J . Call of the wild: antibiotic resistance genes in natural environments. Nat Rev Microbiol 2010; 8(4): 251–259
doi: 10.1038/nrmicro2312
14 Dantas G, Sommer  MO, Oluwasegun RD ,  Church GM . Bacteria subsisting on antibiotics. Science 2008; 320(5872): 100–103
doi: 10.1126/science.1155157
15 Forsberg KJ, Reyes  A, Wang B ,  Selleck EM ,  Sommer MO ,  Dantas G . The shared antibiotic resistome of soil bacteria and human pathogens. Science 2012; 337(6098): 1107–1111
doi: 10.1126/science.1220761
16 Baquero F, Martinez  JL, Canton R . Antibiotics and antibiotic resistance in water environments. Curr Opin Biotechnol 2008; 19(3): 260–265
doi: 10.1016/j.copbio.2008.05.006
17 Cabello FC. Heavy use of prophylactic antibiotics in aquaculture: a growing problem for human and animal health and for the environment. Environ Microbiol 2006; 8(7): 1137–1144
doi: 10.1111/j.1462-2920.2006.01054.x
18 Zhang XX, Zhang  T, Fang HH . Antibiotic resistance genes in water environment. Appl Microbiol Biotechnol 2009; 82(3): 397–414
doi: 10.1007/s00253-008-1829-z
19 Hatosy SM, Martiny  AC. The ocean as a global reservoir of antibiotic resistance genes. Appl Environ Microbiol 2015; 81(21): 7593–7599
doi: 10.1128/AEM.00736-15
20 Yap MN. The double life of antibiotics. Mo Med 2013; 110(4): 320–324
21 Zhu YG, Johnson  TA, Su JQ ,  Qiao M, Guo  GX, Stedtfeld RD ,  Hashsham SA ,  Tiedje JM . Diverse and abundant antibiotic resistance genes in Chinese swine farms. Proc Natl Acad Sci USA 2013; 110(9): 3435–3440
doi: 10.1073/pnas.1222743110
22 Schmidt AS, Bruun  MS, Dalsgaard I ,  Larsen JL . Incidence, distribution, and spread of tetracycline resistance determinants and integron-associated antibiotic resistance genes among motile aeromonads from a fish farming environment. Appl Environ Microbiol 2001; 67(12): 5675–5682
doi: 10.1128/AEM.67.12.5675-5682.2001
23 Aarestrup FM. Occurrence of glycopeptide resistance among Enterococcus faecium isolates from conventional and ecological poultry farms. Microb Drug Resist 1995; 1(3): 255–257
doi: 10.1089/mdr.1995.1.255
24 Cheng W, Chen  H, Su C ,  Yan S. Abundance and persistence of antibiotic resistance genes in livestock farms: a comprehensive investigation in eastern China. Environ Int 2013; 61: 1–7
doi: 10.1016/j.envint.2013.08.023
25 Ibrahim DR, Dodd  CE, Stekel DJ ,  Ramsden SJ ,  Hobman JL . Multidrug resistant, extended spectrum β-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli isolated from a dairy farm. FEMS Microbiol Ecol 2016; 92(4): fiw013
doi: 10.1093/femsec/fiw013
26 Kazimierczak KA, Scott  KP, Kelly D ,  Aminov RI . Tetracycline resistome of the organic pig gut. Appl Environ Microbiol 2009; 75(6): 1717–1722
doi: 10.1128/AEM.02206-08
27 Xiao L, Estelle  J, Kiilerich P ,  Ramayo-Caldas Y ,  Xia Z, Feng  Q, Liang S ,  Pedersen AØ ,  Kjeldsen NJ ,  Liu C, Maguin  E, Doré J ,  Pons N, Le Chatelier  E, Prifti E ,  Li J, Jia  H, Liu X ,  Xu X, Ehrlich  SD, Madsen L ,  Kristiansen K ,  Rogel-Gaillard C ,  Wang J. A reference gene catalogue of the pig gut microbiome. Nat Microbiol 2016; 1: 16161
doi: 10.1038/nmicrobiol.2016.161
28 Anderson ES. The ecology of transferable drug resistance in the enterobacteria. Annu Rev Microbiol 1968; 22(1): 131–180
doi: 10.1146/annurev.mi.22.100168.001023
29 Weinstein L, Goldfield  M, Chang TW . Infections occurring during chemotherapy; a study of their frequency, type and predisposing factors. N Engl J Med 1954; 251(7): 247–255
doi: 10.1056/NEJM195408122510701
30 Salyers AA, Gupta  A, Wang Y . Human intestinal bacteria as reservoirs for antibiotic resistance genes. Trends Microbiol 2004; 12(9): 412–416
doi: 10.1016/j.tim.2004.07.004
31 Hu Y, Yang  X, Qin J ,  Lu N, Cheng  G, Wu N ,  Pan Y, Li  J, Zhu L ,  Wang X, Meng  Z, Zhao F ,  Liu D, Ma  J, Qin N ,  Xiang C ,  Xiao Y, Li  L, Yang H ,  Wang J, Yang  R, Gao GF ,  Wang J, Zhu  B. Metagenome-wide analysis of antibiotic resistance genes in a large cohort of human gut microbiota. Nat Commun 2013; 4: 2151
doi: 10.1038/ncomms3151
32 Hu Y, Yang  X, Lu N ,  Zhu B. The abundance of antibiotic resistance genes in human guts has correlation to the consumption of antibiotics in animal. Gut Microbes 2014; 5(2): 245–249
doi: 10.4161/gmic.27916
33 Hu Y, Zhu  B. The human gut antibiotic resistome in the metagenomic era: progress and perspectives. Infect Dis Transl Med 2016; 2(1): 41–47
34 Martinez JL, Coque  TM, Baquero F . What is a resistance gene? Ranking risk in resistomes. Nat Rev Microbiol 2015; 13(2): 116–123
doi: 10.1038/nrmicro3399
35 Liu YY, Wang  Y, Walsh TR ,  Yi LX, Zhang  R, Spencer J ,  Doi Y, Tian  G, Dong B ,  Huang X ,  Yu LF, Gu  D, Ren H ,  Chen X, Lv  L, He D ,  Zhou H, Liang  Z, Liu JH ,  Shen J. Emergence of plasmid-mediated colistin resistance mechanism MCR-1 in animals and human beings in China: a microbiological and molecular biological study. Lancet Infect Dis 2016; 16(2): 161–168
doi: 10.1016/S1473-3099(15)00424-7
36 Cox G, Wright  GD. Intrinsic antibiotic resistance: mechanisms, origins, challenges and solutions. Int J Med Microbiol 2013; 303(6–7): 287–292
doi: 10.1016/j.ijmm.2013.02.009
37 Martinez JL, Baquero  F, Andersson DI . Predicting antibiotic resistance. Nat Rev Microbiol 2007; 5(12): 958–965
doi: 10.1038/nrmicro1796
38 Gogarten JP, Townsend  JP. Horizontal gene transfer, genome innovation and evolution. Nat Rev Microbiol 2005; 3(9): 679–687
doi: 10.1038/nrmicro1204
39 Bennett PM. Plasmid encoded antibiotic resistance: acquisition and transfer of antibiotic resistance genes in bacteria. Br J Pharmacol 2008; 153(S1): S347–S357
doi: 10.1038/sj.bjp.0707607
No related articles found!
Full text