Objectives To determine the impact of empiric ampicillin and gentamicin use in the first week of life on microbial colonization and diversity in preterm infants. Study design The 16s ribosomal DNA community profiling was used to compare the microbiota of 74 infants born ≤32 weeks gestational age by degree of antibiotic use in the first week of life. The degree of antibiotic use was classified as 0 days, 1-4 days, and 5-7 days of antibiotic administration. All of the antibiotic use was empiric, defined as treatment based solely on clinical suspicion of infection without a positive culture result. Results Infants who received 5-7 days of empiric antimicrobial agents in the first week had increased relative abundance of Enterobacter (P = .016) and lower bacterial diversity in the second and third weeks of life. Infants receiving early antibiotics also experienced more cases of necrotizing enterocolitis, sepsis, or death than those not exposed to antibiotics. Conclusions Early empiric antibiotics have sustained effects on the intestinal microbiota of preterm infants. Intestinal dysbiosis in this population has been found to be associated with elevated risk of necrotizing enterocolitis, sepsis, or death. To determine the impact of empiric ampicillin and gentamicin use in the first week of life on microbial colonization and diversity in preterm infants. The 16s ribosomal DNA community profiling was used to compare the microbiota of 74 infants born ≤32 weeks gestational age by degree of antibiotic use in the first week of life. The degree of antibiotic use was classified as 0 days, 1-4 days, and 5-7 days of antibiotic administration. All of the antibiotic use was empiric, defined as treatment based solely on clinical suspicion of infection without a positive culture result. Infants who received 5-7 days of empiric antimicrobial agents in the first week had increased relative abundance of Enterobacter (P = .016) and lower bacterial diversity in the second and third weeks of life. Infants receiving early antibiotics also experienced more cases of necrotizing enterocolitis, sepsis, or death than those not exposed to antibiotics. Early empiric antibiotics have sustained effects on the intestinal microbiota of preterm infants. Intestinal dysbiosis in this population has been found to be associated with elevated risk of necrotizing enterocolitis, sepsis, or death.

Necrotizing enterocolitis (NEC) is a devastating intestinal disease that afflicts 10% of extremely preterm infants. The contribution of early intestinal colonization to NEC onset is not understood, and predictive biomarkers to guide prevention are lacking. We analyzed banked stool and urine samples collected prior to disease onset from infants <29 weeks gestational age, including 11 infants who developed NEC and 21 matched controls who survived free of NEC. Stool bacterial communities were profiled by 16S rRNA gene sequencing. Urinary metabolomic profiles were assessed by NMR.During postnatal days 4 to 9, samples from infants who later developed NEC tended towards lower alpha diversity (Chao1 index, P = 0.086) and lacked Propionibacterium (P = 0.009) compared to controls. Furthermore, NEC was preceded by distinct forms of dysbiosis. During days 4 to 9, samples from four NEC cases were dominated by members of the Firmicutes (median relative abundance >99% versus <17% in the remaining NEC and controls, P < 0.001). During postnatal days 10 to 16, samples from the remaining NEC cases were dominated by Proteobacteria, specifically Enterobacteriaceae (median relative abundance >99% versus 38% in the other NEC cases and 84% in controls, P = 0.01). NEC preceded by Firmicutes dysbiosis occurred earlier (onset, days 7 to 21) than NEC preceded by Proteobacteria dysbiosis (onset, days 19 to 39). All NEC cases lacked Propionibacterium and were preceded by either Firmicutes (≥98% relative abundance, days 4 to 9) or Proteobacteria (≥90% relative abundance, days 10 to 16) dysbiosis, while only 25% of controls had this phenotype (predictive value 88%, P = 0.001). Analysis of days 4 to 9 urine samples found no metabolites associated with all NEC cases, but alanine was positively associated with NEC cases that were preceded by Firmicutes dysbiosis (P < 0.001) and histidine was inversely associated with NEC cases preceded by Proteobacteria dysbiosis (P = 0.013). A high urinary alanine:histidine ratio was associated with microbial characteristics (P < 0.001) and provided good prediction of overall NEC (predictive value 78%, P = 0.007).Early dysbiosis is strongly involved in the pathobiology of NEC. These striking findings require validation in larger studies but indicate that early microbial and metabolomic signatures may provide highly predictive biomarkers of NEC.

Bifidobacterium species are important commensals capable of dominating the infant gut microbiome, in part by producing acids that suppress growth of other taxa. Bifidobacterium species are less prone to possessing antimicrobial resistance (AMR) genes (ARGs) than other taxa that may colonize infants. Given that AMR is a growing public health crisis and ARGs are present in the gut microbiome of humans from early life, this study examines the correlation between a Bifidobacterium-dominated infant gut microbiome and AMR levels, measured by a culture-independent metagenomic approach both in early life and as infants become toddlers. In general, Bifidobacterium dominance is associated with a significant reduction in AMR in a Bangladeshi cohort, both in the number of acquired AMR genes present and in the abundance of AMR genes. However, by year 2, Bangladeshi infants had no significant differences in AMR related to their early-life Bifidobacterium levels. A generalized linear model including all infants in a previously published Swedish cohort found a significant negative association between log-transformed total AMR and Bifidobacterium levels, thus confirming the relationship between Bifidobacterium levels and AMR. In both cohorts, there was no change between early-life and later-life AMR abundance in high-Bifidobacterium infants but a significant reduction in AMR abundance in low-Bifidobacterium infants. These results support the hypothesis that early Bifidobacterium dominance of the infant gut microbiome may help reduce colonization by taxa containing ARGs.IMPORTANCE Infants are vulnerable to an array of infectious diseases, and as the gut microbiome may serve as a reservoir of AMR for pathogens, reducing the levels of AMR in infants is important to infant health. This study demonstrates that high levels of Bifidobacterium are associated with reduced levels of AMR in early life and suggests that probiotic interventions to increase infant Bifidobacterium levels have the potential to reduce AMR in infants. However, this effect is not sustained at year 2 of age in Bangladeshi infants, underscoring the need for more detailed studies of the biogeography and timing of infant AMR acquisition.

Dedicated lactation rooms are a modern development as mothers return to work while still providing breastmilk to their absent infants. This study describes the built environment microbiome of lactation rooms and daycares, and explores the influence of temperature and humidity on the microbiome of lactation rooms. Sterile swabs were used to collect samples from five different sites in lactation rooms at University of California, Davis and from five different sites in daycares located in Davis, California. DNA from the swabs was extracted and the V4 region of the 16S rRNA gene was sequenced using Illumina MiSeq. Temperature and relative humidity data were collected on a subset of the lactation rooms. Sampled lactation rooms could be either dedicated lactation rooms or could also serve other functions (e.g., combined lactation room and restroom lounge). The majority of sequence reads were identified as belonging to family Moraxellaceae, with 73% of all reads included in analysis identified as an unknown species of Acinetobacter . Alpha diversity was analyzed using the Shannon index, while beta diversity was analyzed using unweighted and weighted UniFrac distance. The Jaccard distance was used to measure amount of change at sampling locations between time points for analysis of the impact of temperature and humidity on the microbiome. There were significant differences in the beta diversity of the microbiome of lactation rooms by room type. There were also significant differences in the beta diversity of the microbiome by sample collection location. There were no significant differences in either alpha or beta diversity associated with room temperature or humidity. Additional studies are needed to understand if the differences in lactation room type may result in differences in the breastmilk microbiome of milk collected in those rooms, and to what extent any such differences may influence the infant microbiome.

ABSTRACT Members of the mammalian gut microbiota metabolize diverse complex carbohydrates that are not digested by the host, which are collectively labeled “dietary fiber.” While the enzymes and transporters that each strain uses to establish a nutrient niche in the gut are often exquisitely specific, the relationship between carbohydrate structure and microbial ecology is imperfectly understood. The present study takes advantage of recent advances in complex carbohydrate structure determination to test the effects of fiber monosaccharide composition on microbial fermentation. Fifty-five fibers with varied monosaccharide composition were fermented by a pooled feline fecal inoculum in a modified MiniBioReactor array system over a period of 72 hours. The content of the monosaccharides glucose and xylose was significantly associated with the reduction of pH during fermentation, which was also predictable from the concentrations of the short-chain fatty acids lactic acid, propionic acid, and the signaling molecule indole-3-acetic acid. Microbiome diversity and composition were also predictable from monosaccharide content and SCFA concentration. In particular, the concentrations of lactic acid and propionic acid correlated with final alpha diversity and were significantly associated with the relative abundance of several of the genera, including Lactobacillus and Dubosiella . Our results suggest that monosaccharide composition offers a generalizable method to compare any dietary fiber of interest and uncover links between diet, gut microbiota, and metabolite production. IMPORTANCE The survival of a microbial species in the gut depends on the availability of the nutrients necessary for that species to survive. Carbohydrates in the form of non-host digestible fiber are of particular importance, and the set of genes possessed by each species for carbohydrate consumption can vary considerably. Here, differences in the monosaccharides that are the building blocks of fiber are considered for their impact on both the survival of different species of microbes and on the levels of microbial fermentation products produced. This work demonstrates that foods with similar monosaccharide content will have consistent effects on the survival of microbial species and on the production of microbial fermentation products.

Blood levels of uremic molecules generated through gut microbial metabolism are associated with disease risk, reduced quality of life, and mortality in patients with renal insufficiency. Modulation of the microbiome may offer therapeutic potential. Objective: This study aimed to elucidate the relationships between fecal microbiome and serum levels of targeted uremic molecules in adults undergoing hemodialysis and, secondarily, the role of relative macronutrient substrate availability. Methods: Fecal microbiota was profiled by whole metagenome sequencing, serum p cresyl sulfate (CS), indoxyl sulfate (IS), phenylacetylglutamine (PAG), and trimethylamine N oxide (TMAO) were quantified by liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC MS/MS), and dietary intake was assessed by three multipass-method 24-hr recalls. Results: Differences in gut microbiome associated with serum uremic toxin levels were not detected. Instead, the relative substrate availability for the microbiota, using dietary protein-to-fiber ratio, was significantly associated with uremia. Serum levels of IS (multivariate linear model, p=0.042) and TMAO (p=0.032) were positively associated with dietary protein-to-fiber ratio, but not CS (p=0.096) and PAG (p=0.44). Conclusion: The lack of association of fecal microbiome with serum uremic toxins suggests that hemodialysis patients possess sufficient microbial enzymatic capacity for the synthesis of these molecules and that, instead, microbially available substrate, protein vs. fiber, may be the primary driver of production.

Background: Shotgun metagenomes are often assembled prior to annotation of genes which biases the functional capacity of a community towards its most abundant members. For an unbiased assessment of community function, short reads need to be mapped directly to a gene or protein database. The ability to detect genes in short read sequences is dependent on pre- and post-sequencing decisions. The objective of the current study was to determine how library size selection, read length and format, protein database, e-value threshold, and sequencing depth impact gene-centric analysis of human fecal microbiomes when using DIAMOND, an alignment tool that is up to 20,000 times faster than BLASTX. Results: Using metagenomes simulated from a database of experimentally verified protein sequences, we find that read length, e-value threshold, and the choice of protein database dramatically impact detection of a known target, with best performance achieved with longer reads, stricter e-value thresholds, and a custom database. Using publicly available metagenomes, we evaluated library size selection, paired end read strategy, and sequencing depth. Longer read lengths were acheivable by merging paired ends when the sequencing library was size-selected to enable overlaps. When paired ends could not be merged, a congruent strategy in which both ends are independently mapped was acceptable. Sequencing depths of 5 million merged reads minimized the error of abundance estimates of specific target genes, including an antimicrobial resistance gene. Conclusions: Shotgun metagenomes of DNA extracted from human fecal samples sequenced using the Illumina platform should be size-selected to enable merging of paired end reads and should be sequenced in the PE150 format with a minimum sequencing depth of 5 million merge-able reads to enable detection of specific target genes. Expecting the merged reads to be 180-250bp in length, the appropriate e-value threshold for DIAMOND would then need to be more strict than the default. Accurate and interpretable results for specific hypotheses will be best obtained using small databases customized for the research question.