環(huán)境中抗生素抗性菌及抗性基因的研究進展

劉孟豪 汪明金 何秘 馬安楠 魏嘉

摘 要：抗生素抗性菌及其抗性基因已成為公認的環(huán)境污染因素之一，威脅著人類健康和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定?？股卦谂R床和養(yǎng)殖業(yè)中的不合理使用，導(dǎo)致其在生態(tài)環(huán)境中殘留，使得攜帶抗生素抗性基因的微生物獲得了競爭優(yōu)勢，而抗性基因亦可在細菌之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而加速傳播。該文對近年來國內(nèi)外抗生素抗性菌及抗性基因的來源、危害性、抗性基因轉(zhuǎn)移機制及細菌耐藥性機制的研究進展進行了綜述，分析了殘留在環(huán)境中的抗生素抗性基因的污染現(xiàn)狀和生態(tài)風(fēng)險，以期為今后的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：抗生素;抗生素抗性菌;抗性基因;生態(tài)環(huán)境

中圖分類號 X505 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）02-0012-04

Research Progress of Antibiotic Resistant Bacteria and Resistant Genes in the Environment

LIU Menghao et al.

（Life Science and Engineering College， Northwest University for Nationalities， Lanzhou 730030， China）

Abstract： Antibiotic resistant bacteria and the resistant genes have been recognized as environmental pollution factors， threatening human health and ecosystem stability. The unreasonable use of antibiotics in clinical and breeding industry leads to the residue of antibiotics in the ecological environment， which makes the microorganisms under stress. The microorganisms carrying antibiotic resistance genes gain competitive advantage. In this paper， the origin of antibiotic resistant bacteria and the transfer of antibiotic resistant genes in water， soil and breeding industry were reviewed. The key role of antibiotics in the development of antibiotic resistance in the environment was clarified， and the harm of antibiotic abuse and residues in the environment was discussed.

Key words： Antibiotics; Antibiotic resistant bacteria; Resistant genes; Rcological environment

目前，抗生素已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)和獸醫(yī)學(xué)中，通過抑制細菌、真菌和原生動物等微生物的生長來預(yù)防或治療微生物感染和促進養(yǎng)殖場禽畜生長[1]。研究表明，用于醫(yī)療或者禽畜養(yǎng)殖的抗生素約有30%～90%以原藥或代謝廢物的形式排出體外且在環(huán)境中形成積累，并對微生物抗生素抗性的產(chǎn)生給予選擇性壓力[2]。隨著人類活動的不斷增多和活動范圍的不斷加大，抗生素和抗生素抗性基因逐漸被人類活動帶入到各種生態(tài)環(huán)境中，由此對細菌抗藥性產(chǎn)生了潛在和持續(xù)的影響。抗生素的抗藥性現(xiàn)象一直存在，伴隨著抗生素的發(fā)現(xiàn)和使用歷程，直到隨著大量、多重抗藥性致病菌的大范圍流行導(dǎo)致嚴重的公共衛(wèi)生事件后，抗生素的抗藥性問題才開始逐漸被人們所關(guān)注。

1 抗生素抗性菌及抗性基因的來源與轉(zhuǎn)移

1.1 抗生素抗性菌的產(chǎn)生與來源 近年來，由于抗生素的大規(guī)模使用，誘導(dǎo)動物腸道內(nèi)的細菌產(chǎn)生了一定的耐藥性，從而產(chǎn)生了抗生素抗性菌（Antibiotic Resistance Bacteria，ARB）[3]，動物糞肥的施用加速了ARB在環(huán)境中和細菌間的傳播。環(huán)境之中存在數(shù)量眾多且種類多樣的微生物，各類微生物是抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes，ARGs）的重要宿主。環(huán)境中ARGs的重要來源之一就是環(huán)境微生物潛在的內(nèi)在抗性和來自外界的外源輸入[4]。而絕大多數(shù)用于治療的抗生素來源于施加到土壤中的禽畜糞肥中滋生的微生物，因此土壤也是ARGs的重要來源之一。經(jīng)研究證明，土壤微生物中的ARGs豐度高且具有生物多樣性，其來源也是來自土壤本身抗生素抗性菌的本底抗性和由外源攜帶入土壤環(huán)境[5]。

1.2 抗生素抗性基因的轉(zhuǎn)移與傳播 ARGs通過多種直接或間接的傳播轉(zhuǎn)移途徑在環(huán)境介質(zhì)中大肆蔓延，在傳播過程中誘導(dǎo)出多種抗性菌。水環(huán)境（養(yǎng)殖場化糞系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、污水處理系統(tǒng)）、土壤環(huán)境、空氣、動植物體既是ARGs的重要的儲藏庫，也是影響ARGs豐度的重要介質(zhì)因素[6]。ARGs既可以在環(huán)境中通過物理方式進行傳播，也可以通過子代遺傳和基因轉(zhuǎn)移等方式在微生物之間進行轉(zhuǎn)移傳播，其方式包括基因垂直轉(zhuǎn)移和水平轉(zhuǎn)移。ARGs的垂直轉(zhuǎn)移（Vetical Gene Transfer，VGT）是指自身攜帶ARGs的親代細菌在增殖過程中發(fā)生基因轉(zhuǎn)移，將ARGs傳給子代細菌的過程，此傳播方式具有一定的限制，但也提高了ARGs在環(huán)境中的豐度與分布范圍。ARGs的水平轉(zhuǎn)移（Horizontal Gene Transfer，HGT）是引發(fā)全球范圍內(nèi)抗生素耐藥性感染發(fā)生率逐年上升的主要原因。HGT是微生物基因組中可移動遺傳因子（MGEs）通過接合、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)等轉(zhuǎn)移方式將ARGs從一種微生物轉(zhuǎn)移到另一種微生物，從而使后者獲得抗生素耐藥性的一種機制[7]。HGT與抗生素的廣泛使用甚至是濫用密不可分，而抗生素造成的環(huán)境污染問題也與HGT機制的轉(zhuǎn)移速度快、傳播范圍廣等特點密不可分。

2 環(huán)境中的抗生素抗性菌及抗性基因

2.1 水環(huán)境中的抗生素抗性基因

2.1.1 在水環(huán)境中的來源及轉(zhuǎn)移 目前，已有多人在地表水體、污水和飲用水樣本中多次檢出抗生素抗性菌及抗性基因[8]。首先，醫(yī)院是抗生素的主要消費者，促進了抗生素耐藥性的傳播[9]。加之人類對于抗生素的使用導(dǎo)致人體內(nèi)不可避免地誘導(dǎo)出抗性菌，這些抗性菌隨著人類的代謝活動等排入醫(yī)療廢水及生活污水中，大大增加了醫(yī)療廢水中抗生素抗性基因的含量與豐度[10]。在養(yǎng)殖業(yè)中含有抗生素及其衍生物飼料的大量使用，使得動物養(yǎng)殖場的養(yǎng)殖污水同樣成為水體環(huán)境中ARGs的主要來源之一[11]。無論是醫(yī)療、生活及工業(yè)廢水，還是養(yǎng)殖場的養(yǎng)殖污水，都會流入污水處理廠，使其成為水環(huán)境中抗性基因轉(zhuǎn)移傳播的重要貯藏站及轉(zhuǎn)移基地[12]。地表水也是ARGs轉(zhuǎn)移傳播的首要及主要方向。研究表明，污水處理廠中的抗性基因會隨著污水的排放而進入自然水體中。近年來，研究人員在多處江河湖海等地表水體中檢測出大量的ARGs[13]，在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中也檢測到一定量的ARGs[14，15]。經(jīng)降雨等原因產(chǎn)生的地面徑流會溶解土壤及其他環(huán)境中的部分ARGs并攜帶其進入地表水體中[16]。綜上，地表水已成為了環(huán)境中ARGs的一個主要的儲藏庫。

2.1.2 在水環(huán)境中的分布 各種抗生素類化合物自身的蒸汽壓較小，親水性較強，所以此類污染物多存在于各種水環(huán)境中[17]?？股乜剐曰虼罅看嬖谟谄渲苯愚D(zhuǎn)移基地-地表水中，且在不同區(qū)域或不同水域中，ARGs的分布同樣存在著明顯差異。Bing Li等利用宏基因組學(xué)用于AGRs定量，在10種典型環(huán)境的50個取樣點中，ARGs在河水的豐度為1.7×10-2～3.1×10-2拷貝，在飲用水的豐度為1.2×10-2-4.7×10-2拷貝;在污水處理廠的廢水中，豐度為1.9×10-3～3.2×10-2拷貝。12種代表性ARGs亞型分屬于9種類型，占廢水總ARGs豐度的76.9%。這些數(shù)據(jù)都表明，在地表水中抗性基因的數(shù)目極為可觀[18]。Yi LUO等研究了不同時間段中國海河的一段河道采集的水和沉積物樣品，發(fā)現(xiàn)在夏季收集的沉積物樣本中，sul1的最高ARG濃度為（7.8±1.0）×109copy/g，sul2的最高ARG濃度為（1.7±0.2）×1011copy/g，據(jù)此可知水環(huán)境中ARGs的存在有著時間分布差異特征[19]。Antti Karkman等研究表明，在接收污水處理廠的廢水的河流中，ARGs的轉(zhuǎn)移可能會影響到污水處理廠的下游，污水經(jīng)處理后，大部分抗性基因依舊未被去除甚至更高[20]。此外，水是動植物、微生物生長的必需條件，水中殘留的ARGs會在水生環(huán)境中造成廣泛的生態(tài)風(fēng)險[21]。

2.2 養(yǎng)殖環(huán)境中的抗生素抗性基因 抗生素在畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)中的長期使用甚至濫用，使得在養(yǎng)殖動物腸道內(nèi)誘發(fā)出抗性菌，這些可以編碼ARGs的菌株是各種養(yǎng)殖環(huán)境中抗生素抗性基因重要的來源之一。

2.2.1 養(yǎng)殖業(yè)中抗生素使用現(xiàn)狀 獸用抗生素特別是在畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)中使用的抗生素是導(dǎo)致環(huán)境中ARGs的增加和抗性菌耐藥性不斷變強的主要原因。在畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)使用抗生素，多是用于治療疾病和促進動物生長。研究表明，中國每年有超過8000t的抗生素被用作飼料添加劑[22]。細菌通過攜帶ARGs獲得抗生素抗性，可以在病原體、非病原體，甚至在親緣較遠的有機物中轉(zhuǎn)移。動物的胃腸道可能是抗生素抗性基因產(chǎn)生和傳播的地方，這些具有耐抗生素細菌的抗生素抗性基因在排便時被排出體外[23]。因此，在畜牧場的土壤和廢水中ARGs的濃度和種類都明顯高于一般的河水和土壤。養(yǎng)殖場的人們也易吸入大量生物氣溶膠抗生素而受到抗生素耐藥性病的侵染[24]。

2.2.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中抗生素使用現(xiàn)狀 集約化的養(yǎng)魚增加了魚類對各種抗生素的敏感性。在坦桑尼亞，使用的魚飼料包括麥麩、玉米糠、蔬菜、廚余、天然草料和來自豬牛羊家禽的糞便。在水產(chǎn)養(yǎng)殖場中，一般不使用殺菌劑作為藥用飼料，而在畜牧場和動物養(yǎng)殖場會使用殺菌劑和生長促進劑[25]，所以抗生素殘留物來源可能是動物的糞便。動物糞便作為耐藥細菌的宿主，致病菌通過水環(huán)境更容易在魚類之間傳遞。因此，水、沉積物、周圍的生態(tài)系統(tǒng)就直接或者間接的暴露在了抗生素中，使生態(tài)系統(tǒng)中的微生物產(chǎn)生定向選擇，導(dǎo)致其產(chǎn)生抗生素抗性。

2.3 土壤環(huán)境中的抗生素抗性基因 養(yǎng)殖場中糞肥的使用也是抗生素進到土壤環(huán)境的主要途徑之一。動物糞便是各類ARB、ARGs和各類病原體的重要儲存庫。這是因為抗生素的大量使用，許多抗生素在動物腸道中未被吸收利用，從而導(dǎo)致抗生素在動物腸道中積累，并且養(yǎng)殖動物的腸道內(nèi)誘導(dǎo)出大量ARB[26]，而這些腸道中誘導(dǎo)出來的抗性菌會隨著糞便施用轉(zhuǎn)移到土壤中。在農(nóng)田大量使用糞肥，會造成土壤中抗生素和抗性基因菌株的不斷累積，進而使土壤原有的微生物通過誘導(dǎo)產(chǎn)生抗性菌或通過基因交換、水平轉(zhuǎn)移基因，從而使得抗性基因得到傳播與擴散。

Nikolina Udikovic-Kolic等研究比較了施用牛糞和無機肥（氮、磷、鉀）對土壤中總細菌數(shù)量和耐β內(nèi)酰胺細菌種群的影響，結(jié)果表明，施用牛糞肥料處理的土壤培養(yǎng)細菌的數(shù)量明顯高于施用無機肥料處理的土壤，這可能是糞肥處理可以誘導(dǎo)來自土壤或糞肥的抗頭孢菌素細菌的生長 [27]。Chen Baowei等用宏基因組學(xué)的方法在沒有經(jīng)過人為抗生素干擾的西藏土壤中檢測到不同類型的ARGs，其中bacA、mexB、mexF、mexW等4種亞型的豐度比其他ARGs高，結(jié)果表明，在藏區(qū)土壤環(huán)境中，極少量的ARGs被MGEs攜帶，說明這些ARGs在細菌間轉(zhuǎn)移的可能性很低[28]。

2.4 多種環(huán)境中抗生素抗性基因間的相互交流 由抗性基因在水環(huán)境來源及轉(zhuǎn)移，可以了解到代謝廢水隨著集中處理排入到污水處理廠。冀秀玲等在養(yǎng)殖場污水樣本中檢出8種ARGs，磺胺類ARGs中sul A的含量最高，四環(huán)素類ARGs中tetW的含量最高[29]。且有研究顯示，不同種抗生素類及不同轉(zhuǎn)移機制的抗性基因在其中的豐度也不盡相同。Cheng等研究表明，豬場廢水中不同抗性機制的四環(huán)素抗性基因中核糖體保護抗性基（tetQ、tetM、tetW、tetO）豐度較高[30]。成衛(wèi)孝研究了施加厭氧發(fā)酵豬糞水的土壤生態(tài)系統(tǒng)中3種核糖體保護機制的四環(huán)素類抗性基因豐度，結(jié)果顯示，tetQ>tetO>tetW，表明tetQ平均豐度最高[31]。

除養(yǎng)殖廢水外，醫(yī)療廢水也是ARGs的主要傳播轉(zhuǎn)移途徑之一。Schwartz等在德國某家醫(yī)院的廢水中發(fā)現(xiàn)了編碼甲氧苯青霉素的ARGs-mecA[32]。Heuer等研究發(fā)現(xiàn)，在比利時某家醫(yī)院的廢水中含有攜帶慶大霉素抗性基因的大腸桿菌和可以編碼甲氧苯青霉素抗性的基因mecA[33]。醫(yī)療廢水進入污水處理系統(tǒng)，抗性基因的一部分隨污泥的再生堆肥返還農(nóng)田土壤中，另一部分在廢水中隨河流通過灌溉、地下水滲透進入土壤。

ARGs對人類健康構(gòu)成了嚴重威脅，已經(jīng)描述了幾種傳播途徑和機制，但是微生ARGs通過大氣粒子的傳播作為一種全球傳播的途徑卻很少受到關(guān)注，這些大氣粒子可以通過降雨或降雪返回地球表面，從而促進ARGs的長距離傳播。Zhu Guibing等對來自中國主要城市、北美3個城市和歐洲1個城市的44個新采雪樣本中的ARGs進行了分析。對ARGs和移動遺傳元件（MGEs）的高通量qPCR的分析表明，空氣污染可能加劇新雪樣中ARGs的傳播，嚴重增加空氣污染和ARGs的健康風(fēng)險[34]。

綜上所述，養(yǎng)殖動物腸道中的ARB可以隨其代謝后，經(jīng)雨水沖刷、地表徑流溶解和大氣擴散等多種傳播途徑進入土壤。ARGs也可通過擴散、水蒸氣循環(huán)、風(fēng)載塵埃、廢水處理廠或生物質(zhì)燃燒等方式吸附在生物氣溶膠上進入大氣，隨后通過噴射流在全球傳播。而土壤系統(tǒng)的滲透作用則可以連接地表上的抗性菌株及ARGs，導(dǎo)致地下水中也含有數(shù)量“可觀”的ARGs[7]。最終，地下水又重新被人類及其他生物體吸收利用?？剐曰蚓痛吮３种谒h(huán)境、大氣環(huán)境和土壤環(huán)境之間的無限循環(huán)，成為新的環(huán)境污染物。

3 結(jié)語

生態(tài)環(huán)境在微生物的抗生素抗藥性傳播轉(zhuǎn)移過程中起著關(guān)鍵的作用。各類環(huán)境不僅是ARGs的巨大貯存庫，也是其源頭、傳播載體和濫用產(chǎn)生的危害的最終承受者。生態(tài)環(huán)境這樣一個封閉且交叉的復(fù)雜系統(tǒng)，使得各種微生物始終處在抗生素和抗藥性因子的影響之下。在各類水體、土壤、養(yǎng)殖場等環(huán)境中ARB及ARGs的檢測結(jié)果表明，抗生素的濫用現(xiàn)象是普遍的，這對于生態(tài)環(huán)境以及人類健康的威脅是巨大的。在醫(yī)療領(lǐng)域和動物畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等方面合理地使用抗生素是十分必要的。此外，ARGs對環(huán)境的污染也是值得關(guān)注和急需解決的問題。

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（責(zé)編：張宏民）