水環(huán)境中抗生素抗性基因的分布·轉(zhuǎn)移與去除研究進(jìn)展

崔紅 張娣 徐文煦 程玉鵬 車(chē)琦 王繼華

摘要?抗生素抗性基因具有可復(fù)制、可傳播并能穩(wěn)定表達(dá)的特點(diǎn)，其在不同的水環(huán)境中廣泛分布，對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康具有潛在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)水體環(huán)境中ARGs的分布、轉(zhuǎn)移與去除情況進(jìn)行了綜述。在此基礎(chǔ)上，從ARGs的轉(zhuǎn)移機(jī)制和去除工藝的改良方面進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞?水體環(huán)境;抗生素抗性基因;分布;轉(zhuǎn)移;去除

中圖分類(lèi)號(hào)?X52?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A?文章編號(hào)?0517-6611（2021）01-0023-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.006

Abstract?Antibiotic resistance genes have the characteristics of replication， transmission and stable expression and are widely distributed in different water environments， which have potential risks to ecological environment and human health. This paper reviewed the distribution， transfer and removal of ARGs in water environment. On this basis， the prospects of transfer mechanism of ARGs and the improvement of the removal process were discussed.

Key words?Water environment;Antibiotic resistance gene;Distribution;Transfer;Removal

抗生素是一類(lèi)由生物體產(chǎn)生或人工合成的具有抑菌或殺菌作用的化學(xué)物質(zhì)[1]，被廣泛用于治療人類(lèi)和動(dòng)物疾病，或添加于動(dòng)物飼料中以促進(jìn)生長(zhǎng)。我國(guó)是抗生素生產(chǎn)大國(guó)，每年生產(chǎn)抗生素原料約21萬(wàn)t[2]。但抗生素的實(shí)際利用率并不高，進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)的抗生素只有少量被吸收利用，Zhang等[3]的調(diào)查顯示2013年我國(guó)常見(jiàn)的36種抗生素總使用量為9.27萬(wàn)t，通過(guò)人類(lèi)和動(dòng)物排泄的抗生素有5.40萬(wàn)t，最終經(jīng)過(guò)各種廢水處理后有5.38萬(wàn)t進(jìn)入到環(huán)境中。目前，在地表水、地下水甚至在飲用水系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)了抗生素的存在，地表水中濃度為幾個(gè)至1 000余ng/L，地下水為幾十至幾百ng/L[4-5]，在飲用水中也檢測(cè)到痕量的抗生素。當(dāng)細(xì)菌生活的環(huán)境中有低濃度抗生素長(zhǎng)期存在時(shí)，細(xì)菌會(huì)形成耐藥性，成為抗生素耐藥菌（antibiotic resistant bacteria，ARB），同時(shí)導(dǎo)致抗性基因（antibiotic resistant genes，ARGs）的出現(xiàn)。目前在醫(yī)院[6]、飼養(yǎng)場(chǎng)[7]、藥廠[8]和污水處理廠[9]等排放的廢液中均檢測(cè)到ARGs的存在。有研究表明[10]，ARGs可以通過(guò)Ⅰ型整合子等可移動(dòng)基因元件的作用進(jìn)行轉(zhuǎn)移，對(duì)環(huán)境造成污染。因此，研究ARGs在水環(huán)境中的分布情況、轉(zhuǎn)移方式及不同去除工藝的去除效果，進(jìn)而探究能有效治理不同水體環(huán)境中ARGs污染的方法，對(duì)于改善我國(guó)水體環(huán)境、保證人體健康、提高人們生活水平具有重要意義。

1?ARGs的分布情況與影響因素

由表1可知，ARGs在水環(huán)境中廣泛分布并且不同的ARGs在水環(huán)境中的濃度存在一定差異。房平等[11]對(duì)東江下游典型飲用水源地ARGs的分布進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，磺胺類(lèi)ARGs的豐度較高。姜春霞等[16]也發(fā)現(xiàn)磺胺類(lèi)ARGs無(wú)論是在海水樣品還是沉積物中，其含量都是最高的?；前奉?lèi)抗生素是我國(guó)目前使用量較大的抗生素種類(lèi)之一，磺胺類(lèi)ARGs在環(huán)境中占據(jù)主導(dǎo)地位可能與這類(lèi)抗生素的大量使用有關(guān)，鄒世春等[17]在調(diào)查北江河水中ARGs污染情況的研究證明了這一觀點(diǎn)。此外，sul1和sul2的高水平表達(dá)也可能與這2種基因所寄生的宿主菌對(duì)不同環(huán)境都具有很強(qiáng)的耐受能力有關(guān)，使這類(lèi)ARGs在水環(huán)境中穩(wěn)定存在。羅曉等[18]的研究也表明ARGs的分布與特定的微生物有關(guān)，其中Methylotenera菌屬是影響tetA分布豐度的主要因素，Dechloromonas和Clostridium sensustricto 1 菌屬是影響tetB分布豐度的主要因素，sul1、sul2分布的豐度則與Dechloromonas、Clostridium sensustricto 1 和Methylotenera菌屬有關(guān)。

ARGs的分布不僅與微生物有關(guān)，還受到其他因素的影響。孫麗華等[19]在探究ARGs與Ⅰ型整合子濃度之間的相關(guān)性時(shí)發(fā)現(xiàn)，tetA濃度與Ⅰ型整合子整合酶基因（intI1）濃度相關(guān)性最強(qiáng)，sul2濃度與intI1的相關(guān)性最弱。因此，Ⅰ型整合子可能影響ARGs在水環(huán)境中的濃度;同時(shí)還發(fā)現(xiàn)tetA、tetW、sul1和sul2的濃度與16S rDNA的濃度相關(guān)，并且磺胺類(lèi)抗性基因濃度與16S rDNA濃度的相關(guān)性更密切。姚鵬城等[20]的研究表明某化工園區(qū)廢水處理廠的進(jìn)水中編碼外排泵蛋白抗性機(jī)制的四環(huán)素類(lèi)ARGs（tetA和tetC）的濃度要比編碼核糖體保護(hù)蛋白抗性機(jī)制的四環(huán)素類(lèi)ARGs（tetO）高很多，說(shuō)明ARGs在環(huán)境中的濃度與其抗性機(jī)制有關(guān)。張毓森等[21]關(guān)于農(nóng)田生態(tài)ARGs的研究表明，農(nóng)田生態(tài)會(huì)影響地表徑流中的ARGs豐度。有研究表明，位于人類(lèi)活動(dòng)密集的高密度建筑區(qū)內(nèi)的南湖和沙湖中ARGs的檢出率及豐度水平都較高，這可能是由周邊多種污染源和人為因素造成的[22]。羅曉等[18]的研究也表明人類(lèi)活動(dòng)以及城市活動(dòng)會(huì)影響抗性基因的分布和傳播。已知的影響ARGs在水環(huán)境中分布的外部因素有很多，但目前的研究主要集中在探究ARGs與微生物、intI1及環(huán)境因子相關(guān)性的方面，探究其影響機(jī)理的文獻(xiàn)較少。而研究不同影響因素對(duì)ARGs的作用機(jī)理更有利于控制其在環(huán)境中的分布。

2?ARGs的轉(zhuǎn)移方式

一般而言，ARGs在環(huán)境中的轉(zhuǎn)移除了直接從親本細(xì)胞中獲得遺傳信息，在同種屬的菌株間進(jìn)行基因的垂直傳播外，還可通過(guò)接合、轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)導(dǎo)的方式進(jìn)行不同種屬和同種屬菌種間基因的水平轉(zhuǎn)移[23]。接合轉(zhuǎn)移是通過(guò)細(xì)胞間的接觸，從供體細(xì)胞將DNA傳遞給受體細(xì)胞;轉(zhuǎn)導(dǎo)需要將ARGs導(dǎo)入到微生物的細(xì)胞中，這個(gè)過(guò)程需要噬菌體的參與;轉(zhuǎn)化是利用處于感受態(tài)的微生物吸收周?chē)h(huán)境中游離的DNA。最新研究發(fā)現(xiàn)[24]，在北極冰川的可培養(yǎng)細(xì)菌基因組中有抗性基因和整合子的存在。這為抗生素抗性基因的遷移提供了新的證據(jù)。Rhodes 等[25]發(fā)現(xiàn)含四環(huán)素類(lèi)ARGs的質(zhì)粒 DNA 可以在大腸桿菌和氣單胞菌屬之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。羅碧珊等[26]發(fā)現(xiàn)萬(wàn)古霉素腸球菌的抗性基因能向金黃色葡萄球菌轉(zhuǎn)移。在ARGs水平轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，可移動(dòng)基因元件（MGEs）發(fā)揮很大的作用，例如轉(zhuǎn)座子基因、接合性質(zhì)粒和整合子基因。王衛(wèi)華等[27]對(duì)醫(yī)院耐藥大腸埃希菌（MDR-ECO）中的可遺傳基因元件進(jìn)行檢測(cè)，共檢測(cè)出10種可移動(dòng)遺傳元件，且同一菌株中可能含有多種不同的MGEs。多重耐藥表型與轉(zhuǎn)座子、整合子類(lèi)型存在相關(guān)性，林習(xí)等[28]的研究證明了這一觀點(diǎn)。吳韻斐等[29]研究了水源型水庫(kù)中不同種類(lèi)的ARGs與可移動(dòng)基因元件之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)氨基糖苷類(lèi)ARGs、多重抗藥類(lèi)ARGs、磺胺類(lèi)ARGs與MGEs之間存在極顯著相關(guān)性（P<0.01），氯霉素類(lèi)ARGs、大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)ARGs、四環(huán)素類(lèi)ARGs與MGEs存在顯著相關(guān)性（P<0.05），總ARGs豐度與MGEs也存在極顯著相關(guān)性（P<0.01）。黃福義等[30]對(duì)生活垃圾滲濾液中的抗生素抗性基因進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其不僅與轉(zhuǎn)座子和整合子等有關(guān)，還與Cr、Cd、Ni、As等重金屬呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，說(shuō)明抗生素抗性基因的賦存和轉(zhuǎn)移傳播可能受重金屬元素和MGEs的共同影響。目前已知的基因元件有質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子和I類(lèi)整合子，是否還有新型的基因元件還有待研究。探究ARGs與基因元件的作用位點(diǎn)以及如何抑制攜帶ARGs的基因元件進(jìn)入微生物體內(nèi)對(duì)抑制其表達(dá)和傳播具有重要意義。

3?ARGs的去除工藝

關(guān)于去除工藝的研究目前主要集中在對(duì)污水中ARGs的去除。Mcconnell等[31]發(fā)現(xiàn)污水處理廠的二級(jí)澄清池能使廢水中的ARGs濃度顯著降低。目前主要采用生物處理、物理或化學(xué)處理等方法對(duì)ARGs進(jìn)行去除。不同的去除手段對(duì)ARGs的去除效果存在差異。

生物處理是利用微生物的代謝反應(yīng)對(duì)廢水進(jìn)行處理，分為好氧和厭氧處理。最常見(jiàn)的好氧處理方法有A/O（厭氧-好氧）工藝、A/A/O（厭氧-缺氧-好氧）工藝等。上海某污水處理廠[32]中ARGs含量經(jīng)過(guò)A/O工藝顯著降低（1.19 log～3.97 log），但在最終的出水中濃度仍較高。張歡歡等[33]研究也表明，升級(jí)A/O工藝并不能有效削減ARGs，出水中ARGs的相對(duì)豐度提高1.3～2.3 logs。這可能是由于工藝實(shí)施過(guò)程中一些生物或非生物因素對(duì)ARGs的去除造成了干擾。厭氧生物處理技術(shù)主要用于有機(jī)物的大量去除及穩(wěn)定污水污泥。Diehl等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，嗜熱條件能使四環(huán)素類(lèi)ARGs（tetA、tetX）的豐度迅速降低，但卻使tetM基因的豐度有所增加，而tetL則無(wú)論是在嗜熱環(huán)境還是嗜溫環(huán)境中都不能被去除，這可能是由于這些基因編碼類(lèi)型不同造成的，其具體機(jī)制還有待研究。

物理或化學(xué)處理法則通過(guò)超濾等物理方法或一系列化學(xué)反應(yīng)將廢水中污染物去除，或轉(zhuǎn)化其性質(zhì)以避免其對(duì)環(huán)境造成危害。化學(xué)處理方法也有很多種，例如有學(xué)者[35]發(fā)現(xiàn)臭氧的氧化能有效地減少活性污泥中ARGs的絕對(duì)豐度，當(dāng)臭氧消耗量達(dá)0.31 g/g（TSS）時(shí)，ARGs的總量下降了75.4%。劉亞蘭等[36]研究表明，污水處理廠的消毒工藝對(duì)抗生素抗性菌具有一定的去除效果。但Jin等[37]發(fā)現(xiàn)氯消毒處理可以促進(jìn)抗藥性基因在細(xì)菌屬間的交換。黃晶晶等[38]的研究表明，經(jīng)紫外線(xiàn)消毒劑處理后滅活的抗生素抗性菌具有復(fù)活的潛能?？梢?jiàn)消毒工藝不能完全消除抗生素抗性菌和抗性基因。魏欣等[39]發(fā)現(xiàn)適量Fe0（如0.1 g/g，以Fe0/VSS計(jì)）能使四環(huán)素類(lèi)ARGs和intI1基因的消減效果增強(qiáng)。目標(biāo)基因豐度下降2.0～4.3個(gè)數(shù)量級(jí)，可能是攜帶四環(huán)素ARGs的抗性菌受到Fe0的影響而逐漸消亡，四環(huán)素ARGs豐度則隨著微生物DNA被降解而降低。張啟偉等[40]利用混凝沉淀-超濾組合工藝對(duì)4種ARGs（sul1、sul2和tetA、tetG）進(jìn)行去除，發(fā)現(xiàn)去除率達(dá)0.5～3.1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種組合工藝對(duì)4種ARGs的去除率比單獨(dú)UF高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見(jiàn)，研究如何將兩種甚至是幾種傳統(tǒng)工藝進(jìn)行拼接組合形成更高效的新工藝是很有必要的。

此外，Liu等[41]用不同類(lèi)型的濕地對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)廢水中的抗性基因去除進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)濕地對(duì)抗性基因有一定的去除作用。Fang等[42]研究表明蘆葦是降低ARGs污染的重要水生植物種類(lèi)。隨著對(duì)ARGs進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)微生物甚至是植物都對(duì)ARGs的去除有一定的效果。這為探究更有效地去除ARGs的方法提供了思路。

4?展望

ARGs在不同的水體環(huán)境中均有分布且受微生物群落、抗性機(jī)制、人類(lèi)活動(dòng)等的影響。目前的研究還處于描述性階段，不同因素對(duì)ARGs分布的影響機(jī)制還有待研究。

ARGs轉(zhuǎn)移主要采取水平基因轉(zhuǎn)移的方式，需要借助移動(dòng)基因元件。目前研究最多的是Ⅰ類(lèi)整合子，是否有其他整合子以及具體的機(jī)制還有待研究。

ARGs的去除工藝主要集中在對(duì)污水處理廠中廢水的處理且存在不能完全消除的問(wèn)題。近年來(lái)，河流湖泊和生活用水中也有ARGs的存在。不同水體環(huán)境中ARGs該如何去除，植物、微生物在ARGs去除中的作用及組合工藝的應(yīng)用等都有待研究。

ARGs具有遷移性，除了在不同水環(huán)境中廣泛分布外，在禽畜養(yǎng)殖場(chǎng)的土壤及空氣中也有ARB和ARGs的存在。因此，加強(qiáng)國(guó)際合作，研究不同生境下ARB和ARGs的分布及污染情況，為其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和治理提供理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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