Abstract Increasing evidence has emerged for non-random spatial distributions of microbes, but knowledge of the processes that cause variation in microbial assemblage among ecosystems is lacking. For instance, some studies showed that deterministic processes such as habitat specialization are important, while other studies hold that bacterial communities are assembled by stochastic forces. Here we examine the relative influence of deterministic and stochastic processes for bacterial communities from subsurface environments, stream biofilm, lake water, lake sediment and soil using pyrosequencing of the 16S ribosomal RNA gene. We show that there is a general pattern in phylogenetic signal in species ecological niches across recent evolutionary time for all studied habitats, enabling us to infer the influences of community assembly processes from patterns of phylogenetic turnover in community composition. The phylogenetic dissimilarities among-habitat types were significantly higher than within them, and the communities were clustered according to their original habitat types. For communities within-habitat types, the highest phylogenetic turnover rate through space was observed in subsurface environments, followed by stream biofilm on mountainsides, whereas the sediment assemblages across regional scales showed the lowest turnover rate. Quantifying phylogenetic turnover as the deviation from a null expectation suggested that measured environmental variables imposed strong selection on bacterial communities for nearly all sample groups. For three sample groups, spatial distance reflected unmeasured environmental variables that impose selection, as opposed to spatial isolation. Such characterization of spatial and environmental variables proved essential for proper interpretation of partial Mantel results based on observed beta diversity metrics. In summary, our results clearly indicate a dominant role of deterministic processes on bacterial assemblages and highlight that bacteria show strong habitat associations that have likely emerged through evolutionary adaptation.

Abstract In marine ecosystems, viruses exert control on the composition and metabolism of microbial communities, thus influencing overall biogeochemical cycling. Deep sea sediments associated with cold seeps are known to host taxonomically diverse microbial communities, but little is known about viruses infecting these microorganisms. Here, we probed metagenomes from seven geographically diverse cold seeps across global oceans, to assess viral diversity, virus-host interaction, and virus-encoded auxiliary metabolic genes (AMGs). Gene-sharing network comparisons with viruses inhabiting other ecosystems reveal that cold seep sediments harbour considerable unexplored viral diversity. Most cold seep viruses display high degrees of endemism with seep fluid flux being one of the main drivers of viral community composition. In silico predictions linked 14.2% of the viruses to microbial host populations, with many belonging to poorly understood candidate bacterial and archaeal phyla. Lysis was predicted to be a predominant viral lifestyle based on lineage-specific virus/host abundance ratios. Metabolic predictions of prokaryotic host genomes and viral AMGs suggest that viruses influence microbial hydrocarbon biodegradation at cold seeps, as well as other carbon, sulfur and nitrogen cycling via virus-induced mortality and/or metabolic augmentation. Overall, these findings reveal the global diversity and biogeography of cold seep viruses and indicate how viruses may manipulate seep microbial ecology and biogeochemistry.

Abstract High-throughput DNA sequencing technologies open the gate to tremendous (meta)genomic data from yet-to-be-explored microbial dark matter. However, accurately assigning protein functions to new gene sequences remains challenging. To this end, we developed FunGeneTyper, an expandable deep learning-based framework with models, structured databases and tools for ultra-accurate (>0.99) and fine-grained classification and discovery of antibiotic resistance genes (ARGs) and virulence factor or toxin genes. Specifically, this new framework achieves superior performance in discovering new ARGs from human gut (accuracy: 0.8512; and F1-score: 0.6948), wastewater (0.7273; 0.6072), and soil (0.8269; 0.5445) samples, beating the state-of-the-art bioinformatics tools and protein sequence-based (F1-score: 0.0556-0.5065) and domain-based (F1-score: 0.2630-0.5224) alignment approaches. We empowered the generalized application of the framework by implementing a lightweight, privacy-preserving and plug-and-play neural network module shareable among global developers and users. The FunGeneTyper * is released to promote the monitoring of key functional genes and discovery of precious enzymatic resources from diverse microbiomes.

Abstract Metformin (MET), a worldwide used drug for type 2 diabetes, has been found with the largest amount by weight among all drugs in aquatic environment, including the drinking water sources where chlorination inevitably transforms MET into chlorination byproducts. Although MET has health-promoting properties, whether or how its chlorination byproducts affect health remains largely unknown. Here we reveal that MET chlorination byproducts Y (C 4 H 6 ClN 5 ) and C (C 4 H 6 ClN 3 ) exhibit marked toxicity, even higher than that of the well-known poisonous arsenic, to live worms and human cells. Moreover, both byproducts are harmful to mice and Y at 250 ng/L destroys the mouse small intestine integrity. Strikingly, we detected MET and byproduct C in worldwide drinking water. Both byproducts are increasingly produced with more MET present during chlorination process. Unprecedentedly, we unveil boiling and activated carbon adsorption as effective solutions that are in urgent demand globally for removing these byproducts from water.

ABSTRACT The global rise and spread of antibiotic resistance greatly challenge the treatment of bacterial infections. Wastewater treatment plants (WWTPs) harbor and discharge antibiotic resistance genes (ARGs) as environmental contaminants. However, the knowledge gap on the host identity, activity and functionality of ARGs limits transmission and health risk assessment of WWTPs resistome. Hereby, a genome-centric quantitative metatranscriptomic approach was exploited to realize high-resolution qualitative and quantitative analyses of bacterial hosts of ARGs (i.e., multi-resistance, pathogenicity, activity and niches) throughout 12 urban WWTPs. We found that ∼45% of 248 recovered genomes expressed ARGs against multiple classes of antibiotics, among which bacitracin and aminoglycoside resistance genes in Proteobacteria was the most prevalent scenario. Both potential pathogens and indigenous denitrifying bacteria were transcriptionally active hosts of ARGs. The almost unchanged relative expression levels of ARGs in the most resistant populations (66.9%) and the surviving ARG hosts including globally emerging pathogens (e.g., Aliarcobacter cryaerophilus ) in treated WWTP effluent prioritizes future examination on the health risks related with resistance propagation and human exposure in the receiving environment.

Rationale: Giant spinal schwannomas located at the C1-C2 level pose significant surgical challenges because of their proximity to the brainstem, cervical spinal cord, and vertebral arteries. This case provides insight into the surgical management of giant spinal schwannomas at the C1-C2 level. Patient Concerns: A 40-year-old female presented with a 2-year history of progressive limb numbness, weakness, and gait instability. She reported a sensation of stepping on cotton and tightness in the chest and abdomen with worsening symptoms over time. Diagnoses: Physical examination revealed limited cervical spine movement, increased muscle tone in the limbs, and Hoffmann and Babinski signs. Imaging, including CT, CTA and MRI, identified a large schwannoma at the C1-C2 level, with compression of the spinal cord and proximity to the vertebral artery. Interventions: The patient underwent surgical excision of the tumor using full laminectomy approach under intravenous anesthesia. Outcomes: The surgery was successfully completed, and the patient’s neurological symptoms, including numbness and weakness, were significantly relieved. Conclusion: Strict enucleation within the capsule can effectively protect the vertebral artery and nearby nerves. When functional nerve roots or the spinal cord are involved, leaving the residual capsule may be safer than risking permanent deficits.