黃渝嵐,史晶亮,劉芮芮,羅義2,,*
1. 南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境污染過(guò)程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350 2. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210093
隨著抗菌藥物的問(wèn)世,各類抗菌藥物相繼在醫(yī)療衛(wèi)生、畜牧養(yǎng)殖等領(lǐng)域得到廣泛使用,但由于抗菌藥物的長(zhǎng)期不合理使用或?yàn)E用,造成了臨床和環(huán)境中普遍存在細(xì)菌耐藥性問(wèn)題。近幾十年,抗菌藥物耐藥性(antimicrobial resistance, AMR)已對(duì)全球臨床治療病原菌感染構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn),增加了臨床病原菌感染后的致死率,威脅了人類健康[1-2]。不僅如此,攜帶耐藥基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的病原菌可能通過(guò)污水處理系統(tǒng)進(jìn)入受納環(huán)境,影響生態(tài)環(huán)境健康[3-7]。同時(shí),ARGs能借助可移動(dòng)遺傳元件(mobile genetic elements, MGEs)在環(huán)境中實(shí)現(xiàn)細(xì)菌間的水平基因轉(zhuǎn)移(horizontal gene transfer, HGT),加速了細(xì)菌耐藥性的廣泛傳播。以往關(guān)于環(huán)境中細(xì)菌耐藥性的傳播主要集中于大氣遷移[8]、再生水灌溉[9-10]、有機(jī)肥施肥[11-12]以及各種進(jìn)入人類食物鏈的農(nóng)產(chǎn)品[13-14]。近些年有研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的蒼蠅(HelaeomyiapetroleiL.)、蟑螂(PeriplanetaamericanaL.和BlattellagermanicaL.)會(huì)將人畜共患的食源性病原體傳播給其他動(dòng)物和人類,這其中可能伴隨著ARGs的傳遞[15]。至此,研究人員陸續(xù)關(guān)注起一些市場(chǎng)上可食用昆蟲的耐藥性,例如蝗蟲(Locustamigratoria)、蟋蟀(Achetadomesticus)和蝎子(Heterometruslongimanus)等,以調(diào)查昆蟲相關(guān)食品的食用安全性[16-17]。
地球上3/4的作物品種需要昆蟲授粉,蜜蜂作為最主要的授粉昆蟲承擔(dān)了80%左右的授粉工作量,是地球上食物網(wǎng)的重要參與者,極大地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此,蜜蜂的健康直接關(guān)系著食品安全和生態(tài)環(huán)境安全[18-19]。然而,人類對(duì)于蜜蜂介導(dǎo)的細(xì)菌耐藥性傳遞仍然知之甚少。蜂群在傳粉過(guò)程中與周圍環(huán)境之間發(fā)生頻繁的交流,尤其是覓食工蜂在采集各種花卉植物的花蜜和花粉以及附近的水源過(guò)程中,很容易造成蜜蜂與作物以及周圍環(huán)境的交叉污染。目前,動(dòng)植物、土壤和水環(huán)境普遍受到抗生素、農(nóng)藥等化學(xué)品的污染[20-24],而蜂群本身在飼養(yǎng)過(guò)程中也經(jīng)常因?yàn)轭A(yù)防或治療蜜蜂疾病而暴露于抗生素、殺螨劑等藥物[25]。因此,蜜蜂有可能成為生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌耐藥性傳播的參與者和驅(qū)動(dòng)者。本文以蜜蜂腸道耐藥基因組為核心,歸納總結(jié)了蜜蜂的藥物暴露途徑及其對(duì)蜜蜂腸道耐藥基因組的潛在影響,系統(tǒng)分析了蜜蜂介導(dǎo)下的細(xì)菌耐藥性潛在傳播途徑,并在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)蜜蜂腸道耐藥基因組相關(guān)研究作出展望,希望從傳粉蜜蜂的角度對(duì)緩解細(xì)菌耐藥性的傳播,改善生態(tài)環(huán)境并保障人類健康提供理論指導(dǎo)。
目前,細(xì)菌耐藥是全球公共衛(wèi)生領(lǐng)域的重要議題,而賦予細(xì)菌耐藥的ARGs被定義為一種新型環(huán)境污染物[26]。雖然ARGs在細(xì)菌中的檢出時(shí)間早于青霉素發(fā)現(xiàn)時(shí)間(1928年),但不可否認(rèn)的是,抗生素的濫用和誤用明顯加速了ARGs的進(jìn)化,促進(jìn)了ARGs的增殖和傳播[27]。細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性的生物學(xué)機(jī)制主要包含[28]:(1) 對(duì)抗生素分子進(jìn)行酶抑制,導(dǎo)致抗生素分子被破壞或發(fā)生化學(xué)改變;(2) 改變細(xì)菌的膜通透性;(3) 細(xì)菌的外排泵表達(dá)增加,加速對(duì)抗生素的排出;(4) 改變抗生素藥物作用靶點(diǎn)。耐藥基因既可通過(guò)垂直傳遞的方式即親本菌株賦予子代細(xì)菌耐藥性,也可借助由質(zhì)粒、整合子、轉(zhuǎn)座子和噬菌體等MGEs以水平基因轉(zhuǎn)移的方式在細(xì)菌之間傳播,后者甚至被發(fā)現(xiàn)可以跨細(xì)菌種屬傳遞ARGs,是ARGs傳播的主要形式[27]。水平基因轉(zhuǎn)移主要包括3種機(jī)制,分別是:游離DNA轉(zhuǎn)化、噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)和接合轉(zhuǎn)移??傊ㄟ^(guò)多樣的耐藥性機(jī)制以及多種耐藥基因轉(zhuǎn)移機(jī)制使細(xì)菌耐藥性不斷增強(qiáng),對(duì)人類和動(dòng)物健康構(gòu)成威脅。
動(dòng)物腸道是ARGs的重要儲(chǔ)庫(kù),而腸道微生物是ARGs的主要宿主。腸道微生物面臨抗生素的選擇性壓力時(shí),會(huì)對(duì)耐藥細(xì)菌(antibiotic resistance bacteria, ARB)產(chǎn)生富集作用,并促進(jìn)ARGs在腸道細(xì)菌之間的水平轉(zhuǎn)移[29]。自20世紀(jì)50年代以來(lái),歐美養(yǎng)蜂人就開(kāi)始以土霉素(OTC)作為治療和預(yù)防蜜蜂患美洲幼蟲腐臭病或歐洲幼蟲腐臭病的主要措施[30]。約半個(gè)世紀(jì)后,美國(guó)和阿根廷相繼報(bào)道了幼蟲芽孢桿菌對(duì)OTC的耐藥性[31-32],并發(fā)現(xiàn)蜂群里對(duì)OTC耐藥的幼蟲芽孢桿菌中含有攜帶tetL耐藥基因的可移動(dòng)質(zhì)粒pMA67[33-34]。隨后,研究人員陸續(xù)在蜜蜂腸道內(nèi)分離到多重耐藥的革蘭氏陰性菌(腸桿菌科等)和部分革蘭氏陽(yáng)性菌(金黃色葡萄球菌等)[35-37],Ludvigsen等[38]在蜜蜂腸道共生菌中檢測(cè)到了介導(dǎo)鏈霉素抗性的可移動(dòng)遺傳元件轉(zhuǎn)座子。以上結(jié)果表明蜜蜂腸道可能是一個(gè)潛在的ARGs“儲(chǔ)存庫(kù)”。
農(nóng)藥抗性是指細(xì)菌在農(nóng)藥的長(zhǎng)期作用下發(fā)生適應(yīng)性進(jìn)化,形成各種保護(hù)機(jī)制來(lái)躲避農(nóng)藥的危害,逐步形成對(duì)農(nóng)藥的抗性[39]。此前,已有大量研究表明,昆蟲腸道共生菌可能通過(guò)調(diào)節(jié)宿主的內(nèi)源性解毒途徑來(lái)改變宿主的農(nóng)藥抗性[40-41],并進(jìn)一步證實(shí)了昆蟲腸道共生菌與農(nóng)藥抗性之間的關(guān)系[42]。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)蜜蜂的腸道菌群可以通過(guò)促進(jìn)P450解毒酶基因的表達(dá)來(lái)提高蜜蜂對(duì)農(nóng)藥的抗性[43],說(shuō)明蜜蜂消化道里的腸道菌也具備形成農(nóng)藥抗性的潛力。蜜蜂腸道共生菌對(duì)宿主免疫調(diào)節(jié)、營(yíng)養(yǎng)吸收和有害物質(zhì)代謝具有重要的作用[44]。今后或許可以通過(guò)提高蜜蜂腸道共生菌群對(duì)農(nóng)藥的降解能力(農(nóng)藥抗性)來(lái)降低農(nóng)藥對(duì)蜜蜂的毒害作用。
大量研究表明,抗生素以外的化學(xué)物質(zhì)也可以通過(guò)交叉抗性機(jī)制來(lái)選擇和刺激抗生素耐藥性,包含殺菌劑、殺蟲劑和重金屬等[45-47]。細(xì)菌在受到抗生素以外的藥物暴露后會(huì)進(jìn)一步表現(xiàn)出對(duì)抗生素的耐藥性。因此,殺蟲劑、殺菌劑和除草劑暴露會(huì)改變細(xì)菌的抗生素耐受性[48]。例如,細(xì)菌在抗生素和農(nóng)藥的多重選擇壓力下可以獲得抗生素-農(nóng)藥交叉耐藥性。當(dāng)ARGs和農(nóng)藥抗性基因都位于同一可移動(dòng)的遺傳元件上時(shí),獲得該遺傳元件的細(xì)菌也會(huì)表現(xiàn)出抗生素-農(nóng)藥交叉耐藥性。Rangasamy等[49]的研究也證明質(zhì)粒會(huì)參與農(nóng)藥和抗生素的耐藥性傳播,并提出細(xì)菌的酶可能是抗生素-農(nóng)藥交叉耐藥性形成的重要原因。因此,獲得農(nóng)藥耐藥性的細(xì)菌通常也能表達(dá)抗生素耐藥性。研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)藥能夠顯著富集環(huán)境中的農(nóng)藥降解微生物AMR和抗生素耐藥細(xì)菌[50-51],農(nóng)藥抗性菌株大都對(duì)一種或多種抗生素產(chǎn)生耐藥性,且接合質(zhì)粒在農(nóng)藥抗性和抗生素抗性傳播中起著重要作用[52]。蜜蜂在養(yǎng)殖過(guò)程中會(huì)頻繁暴露于各種藥物條件下,而不少研究均報(bào)道了抗生素、殺螨劑、除草劑及新煙堿類化合物會(huì)擾亂蜜蜂腸道微生態(tài)[53-57]。目前關(guān)于蜜蜂體內(nèi)是否富集有抗生素-農(nóng)藥交叉耐藥的腸道菌群還未見(jiàn)報(bào)道,根據(jù)蜜蜂養(yǎng)殖過(guò)程的藥物暴露場(chǎng)景,推測(cè)蜜蜂體內(nèi)可能會(huì)富集具有抗生素-農(nóng)藥交叉耐藥性的腸道共生菌。此外,蜜蜂是一種生存在高度密集環(huán)境的社會(huì)性昆蟲,主要依賴交哺行為來(lái)獲得組成穩(wěn)定而簡(jiǎn)單的腸道菌群,這將增加多重耐藥菌和耐藥基因在環(huán)境中傳播擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)生態(tài)安全構(gòu)成威脅。
微生物包括微生物所在的宿主的暴露環(huán)境通常是復(fù)雜的,環(huán)境中存在的任何對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生選擇性壓力的物質(zhì)或條件變化都可能對(duì)細(xì)菌耐藥基因組產(chǎn)生影響,越來(lái)越多的研究表明抗生素、農(nóng)藥、重金屬、消毒劑和離子液體等對(duì)ARGs具有富集作用[39, 58-62]。一直以來(lái)抗生素的使用被普遍認(rèn)為是導(dǎo)致細(xì)菌耐藥及其傳播擴(kuò)散的“罪魁禍?zhǔn)住???股夭坏珪?huì)促進(jìn)ARB和ARGs的進(jìn)化和增殖,還可能會(huì)加速ARB向人類和動(dòng)物傳播的風(fēng)險(xiǎn),如抗生素促進(jìn)環(huán)境耐藥致病菌在動(dòng)物體內(nèi)定殖[63]。蜜蜂腸道內(nèi)穩(wěn)定定植著8種核心菌群,分別為L(zhǎng)actobacillusFirm-4、LactobacillusFirm-5、Gilliamellaapicola、Snodgrassellaalvi、Bifidobacteriumspp.、Frischellaperrara、Bartonellaapis和Parasaccharibacterapium,總豐度超過(guò)99%[64]。研究發(fā)現(xiàn)蜜蜂腸道中的核心細(xì)菌具有明顯的多重耐藥性[38,65],一旦入侵蜜蜂的致病菌獲得多重耐藥性,將對(duì)蜂群健康產(chǎn)生很大影響。影響蜜蜂腸道耐藥基因組的潛在因素主要包括2個(gè)方面:(1) 抑菌藥物及重金屬、微塑料等環(huán)境污染物的作用;(2) 環(huán)境因素,主要包括地理因素和氣候因素。同時(shí),各個(gè)影響因素之間還存在一定交互作用。
抗生素、農(nóng)藥等抑菌藥物的長(zhǎng)期和大量使用是造成細(xì)菌耐藥性日益增強(qiáng)的主要原因。通常,在面對(duì)高濃度抑菌藥物暴露時(shí),細(xì)菌可通過(guò)自發(fā)突變產(chǎn)生AMR[66],也能通過(guò)細(xì)菌間水平基因轉(zhuǎn)移的方式獲取耐藥質(zhì)粒,從而產(chǎn)生抗性,但攜帶耐藥質(zhì)粒的細(xì)菌在無(wú)長(zhǎng)期藥物暴露條件下會(huì)產(chǎn)生適合度代價(jià),主動(dòng)降低細(xì)菌群體的耐藥性水平[67]。然而,當(dāng)各類抗菌藥物在環(huán)境中長(zhǎng)期持留時(shí),細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的適應(yīng)性進(jìn)化,這種進(jìn)化機(jī)制造成ARB的增殖和傳播。以往研究表明,蜜蜂長(zhǎng)期暴露于抗生素可以導(dǎo)致腸道細(xì)菌耐藥性的積累[68-69],而且隨著抗生素暴露濃度的增加,ARGs的總豐度顯著增加[70]。
不僅抗生素與其他環(huán)境污染物會(huì)造成蜜蜂腸道細(xì)菌的交叉耐藥,各類抗菌藥物的不同組合聯(lián)用也會(huì)對(duì)腸道耐藥組造成顯著影響,從而造成細(xì)菌的多重耐藥。例如,美國(guó)過(guò)去長(zhǎng)期使用土霉素、四環(huán)素以及氨芐青霉素治療蜜蜂,在美國(guó)蜜蜂腸道細(xì)菌中能夠鑒定出幾種不同的四環(huán)素抗性基因(TCr),具有TCr的蜜蜂腸道細(xì)菌也對(duì)土霉素、四環(huán)素和氨芐青霉素表現(xiàn)出明顯的抗性;而挪威不使用抗生素治療蜜蜂,因此該地區(qū)的蜜蜂腸道中較少檢測(cè)到TCr,蜜蜂腸道細(xì)菌也不對(duì)抗生素產(chǎn)生明顯耐藥性[68]。此外,AMR通常由MGEs介導(dǎo)在環(huán)境細(xì)菌中發(fā)生水平轉(zhuǎn)移。大量研究表明,抗菌藥物會(huì)促進(jìn)AMR在環(huán)境中的傳播。同一個(gè)MGEs上可能存在多個(gè)AMR位點(diǎn),MGEs具有從環(huán)境中捕獲AMR的能力[38, 71-72]。最近的研究發(fā)現(xiàn)昆蟲腸道細(xì)菌能通過(guò)MGEs以水平基因轉(zhuǎn)移的方式獲得外部環(huán)境ARGs[73],導(dǎo)致昆蟲腸道細(xì)菌產(chǎn)生多重耐藥性。Tian等[68]的研究證明,給蜜蜂長(zhǎng)期飼喂土霉素,會(huì)導(dǎo)致蜜蜂腸道菌群對(duì)四環(huán)素與土霉素產(chǎn)生多重耐藥性。除了抗生素外,消毒劑也會(huì)造成ARGs在細(xì)菌間的水平轉(zhuǎn)移,例如,Zhang等[46]的研究表明,亞抑菌濃度的消毒劑會(huì)促進(jìn)ARGs在屬內(nèi)和屬間的水平轉(zhuǎn)移。
此外,重金屬、納米材料和微塑料等其他環(huán)境污染物通過(guò)影響環(huán)境細(xì)菌間MGEs的傳播,促進(jìn)細(xì)菌產(chǎn)生多重耐藥性[74-76]。以微塑料為例,水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中抗生素污染導(dǎo)致的耐藥細(xì)菌會(huì)依附在水體環(huán)境中的微塑料上,各種水體微生物及耐藥細(xì)菌借助微塑料實(shí)現(xiàn)富集和廣泛傳播[76]。值得一提的是,有研究發(fā)現(xiàn)蜜蜂暴露于抗生素后會(huì)顯著增加其暴露于微塑料的健康風(fēng)險(xiǎn),這是由于蜜蜂腸道菌群對(duì)微塑料有一定的降解作用,而抗生素對(duì)蜜蜂腸道菌群造成破壞,最終加強(qiáng)了微塑料對(duì)蜜蜂的亞致死作用。這表明環(huán)境污染物對(duì)生物體的影響存在著協(xié)同效應(yīng),相關(guān)生物學(xué)機(jī)制還有待于進(jìn)一步闡明[77-78]。
綜上所述,以抗生素、農(nóng)藥為主的各類農(nóng)用化學(xué)品暴露可能會(huì)對(duì)蜜蜂腸道細(xì)菌產(chǎn)生長(zhǎng)期的選擇性壓力,促進(jìn)其進(jìn)化,從而產(chǎn)生藥物抗性;而以重金屬、微塑料為主的其他環(huán)境污染物暴露不僅會(huì)增加抗菌藥物對(duì)環(huán)境細(xì)菌的選擇性壓力,同時(shí)還會(huì)影響細(xì)菌間ARGs的傳播,從而對(duì)蜜蜂腸道耐藥組造成潛在的影響。
許多研究表明,光照、溫度、pH和溶解氧等環(huán)境因素的變化會(huì)對(duì)ARGs的傳播造成一定程度的影響。極端環(huán)境條件(高溫、強(qiáng)酸/強(qiáng)堿、長(zhǎng)期厭氧和長(zhǎng)期光照等)能夠通過(guò)加速ARGs的降解、富集16S rDNA以及抑制ARGs的分布來(lái)降低環(huán)境中的ARGs的相對(duì)豐度[79-84],從而抑制環(huán)境細(xì)菌之間ARGs的傳遞、減少攜帶ARGs的環(huán)境細(xì)菌數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境條件劇烈變化時(shí),環(huán)境中ARGs數(shù)量會(huì)消減[83-84],可能是因?yàn)榄h(huán)境細(xì)菌在劇烈變化的環(huán)境中難以生存導(dǎo)致的。同時(shí),錢燕云等[84]發(fā)現(xiàn)磷與Ⅰ類整合子(intI1)具有顯著相關(guān)性,表明營(yíng)養(yǎng)元素也可能是促進(jìn)細(xì)菌間ARGs傳播的環(huán)境因素之一。上述研究也表明環(huán)境條件一定程度上將影響細(xì)菌耐藥性。
全球氣候變化也與細(xì)菌耐藥性密切相關(guān)。MacFadden等[85]發(fā)現(xiàn)細(xì)菌耐藥性與平均最低溫度有關(guān),由于全球氣溫不斷升高,導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性一直處于增長(zhǎng)狀態(tài)。并且隨著全球變暖,洪澇、干旱等極端天氣事件發(fā)生頻率逐漸增加。有文獻(xiàn)報(bào)道,洪水會(huì)引起污水管道中的污水溢出或牲畜污染,從而促進(jìn)水環(huán)境中耐藥細(xì)菌和ARGs的傳播[86-87]。尤其氮肥造成的洪水污染會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化,促進(jìn)細(xì)菌耐藥性增強(qiáng)[86-87]。Garner等[88]研究發(fā)現(xiàn),盡管洪水后河水及沉積物中ARGs的總豐度下降,但一段時(shí)間后,嚴(yán)重污染地點(diǎn)的ARGs的總豐度恢復(fù)至接近洪水前,同時(shí)水體中多重耐藥細(xì)菌數(shù)量增加。這是由于水體中含有亞致死濃度的抗生素,從而通過(guò)刺激水平基因轉(zhuǎn)移來(lái)促進(jìn)ARGs的傳播,造成水體中細(xì)菌的多重耐藥[89]。洪澇、干旱等災(zāi)害還會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施減少,人口密度增加,促進(jìn)致病菌感染率增加[86]。隨著細(xì)菌耐藥性的日益增加,抗生素的使用劑量逐漸增加,抗生素濫用頻發(fā),從而形成促進(jìn)細(xì)菌耐藥性及其傳播的致命循環(huán)。
細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化是細(xì)菌耐藥性改變的主要因素之一[90],而環(huán)境因素能夠?qū)Νh(huán)境細(xì)菌和腸道細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)造成一定影響。蜜蜂腸道菌群結(jié)構(gòu)隨季節(jié)發(fā)生變化,寒冷季節(jié)蜜蜂腸道菌群主要由厭氧菌組成,在溫暖季節(jié)則普遍存在需氧菌[91],Clark[92]認(rèn)為這可能與蜜蜂活動(dòng)周圍特定植物的開(kāi)花周期有關(guān)。同時(shí),Ke?nerová等[93]的研究指出冬、夏兩季蜜蜂腸道菌群結(jié)構(gòu)存在差異,冬季蜜蜂具有較夏季蜜蜂更高的腸道細(xì)菌豐富度和更低的群落α多樣性。有文獻(xiàn)報(bào)道,環(huán)境因素的變化可能影響昆蟲體內(nèi)ARGs的發(fā)生率[94]。因此,氣溫、降水、海拔等環(huán)境因素可能通過(guò)影響ARB在蜜蜂腸道定殖的適宜度,從而影響蜜蜂腸道耐藥組組成。
隨著農(nóng)藥和抗生素類藥物的大量使用,農(nóng)藥和抗生素的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。而蜜蜂在傳粉過(guò)程受到農(nóng)藥和抗生素殘留的影響,蜜蜂傳粉特性讓其有望成為周邊環(huán)境農(nóng)藥污染監(jiān)測(cè)的生物指示器(通過(guò)檢測(cè)蜜蜂身體及其攜帶的花粉、花蜜中的污染指標(biāo))[95]。研究人員調(diào)查世界各地蜂蜜中新煙堿類殺蟲劑殘留情況,發(fā)現(xiàn)48%的蜂蜜樣品有超過(guò)0.10 ngg-1濃度殘留[96]。最新研究對(duì)中國(guó)各地蜂蜜殘留新煙堿類殺蟲劑的調(diào)查結(jié)果顯示,來(lái)源于經(jīng)濟(jì)作物的蜂蜜比非經(jīng)濟(jì)作物的蜂蜜更容易受到新煙堿類殺蟲劑的污染[97],說(shuō)明種植作物時(shí)使用殺蟲劑會(huì)造成蜂蜜體內(nèi)殺蟲劑的殘留,即使是采用環(huán)保高效的種子包衣形式也會(huì)使蜜蜂受到殺蟲劑的污染[98]。值得注意的是,研究人員系統(tǒng)調(diào)查了除草劑草甘膦對(duì)蜜蜂個(gè)體和種群健康的影響,雖然接觸該農(nóng)藥不會(huì)對(duì)蜜蜂個(gè)體產(chǎn)生急性致死效應(yīng),但會(huì)干擾蜜蜂腸道的核心菌群,進(jìn)而影響蜜蜂個(gè)體和種群健康以及蜜蜂的授粉活動(dòng)[99]。作者在野外采樣時(shí)也從許多蜂農(nóng)那里了解到他們?cè)诿鄯漯B(yǎng)殖過(guò)程中對(duì)于除草劑使用的擔(dān)憂,甚至養(yǎng)殖過(guò)程中能明顯感受到除草劑使用對(duì)蜜蜂的毒害作用[99]。另外,蜂蜜體內(nèi)也經(jīng)常被檢測(cè)出抗生素以及殺螨劑殘留。除了蜂蜜,蜂花粉、甚至在蜂蠟內(nèi)都能頻繁檢出各種藥物殘留[100-102]。同時(shí),在養(yǎng)殖蜜蜂環(huán)境周圍,也可能存在抗生素暴露,例如人類活動(dòng)區(qū)和動(dòng)物養(yǎng)殖區(qū)排放的生活污水進(jìn)入河渠和土壤環(huán)境后污染養(yǎng)蜂場(chǎng)附近水源和蜜粉源植物,這些環(huán)境中的抗生素殘留會(huì)通過(guò)蜜蜂的傳粉活動(dòng)增加上述污染物對(duì)蜜蜂的暴露。此外,蜜蜂在其覓食活動(dòng)中與環(huán)境相互作用,使其暴露于環(huán)境污染物中,例如工業(yè)生產(chǎn)區(qū)的排放廢水、廢氣和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的肥料、農(nóng)藥中的重金屬、微塑料及金屬納米材料等都成為污染物對(duì)蜜蜂的“暴露源”,蜜蜂成為這些環(huán)境污染物的“主動(dòng)取樣器”[103-107]。最終,這些環(huán)境污染物在蜜蜂體內(nèi)積累,影響蜜蜂腸道菌群健康[77]。
總體來(lái)說(shuō),蜜蜂的污染物暴露主要包括以下來(lái)源(圖1):(1) 蜂群用藥(野生蜂除外)——養(yǎng)蜂人員經(jīng)常使用各種藥物來(lái)控制或預(yù)防蜜蜂疾病,如使用抗生素來(lái)治療蜜蜂幼蟲病等,使用殺螨劑來(lái)控制蜜蜂寄生螨害,相當(dāng)于對(duì)蜜蜂進(jìn)行直接暴露;(2) 植物源藥物污染——蜜蜂在野外覓食過(guò)程中可能接觸到施藥后的植物花蜜、花粉和葉片上的殘留藥物,噴灑的農(nóng)藥、殺蟲劑和殺螨劑等可能以粉塵的形式傳播進(jìn)入種植作物附近的蜂群[108];(3)環(huán)境水、土壤污染——蜜蜂可能通過(guò)飲用人類活動(dòng)區(qū)、畜禽養(yǎng)殖及工業(yè)區(qū)排放的廢水,使得蜂群受到廢水中的藥物殘留污染。同時(shí),土壤污染也可能通過(guò)授粉植物間接對(duì)蜜蜂腸道菌群產(chǎn)生暴露。因此,當(dāng)蜜蜂暴露于環(huán)境中殘留的抗生素、農(nóng)藥等多種污染物時(shí),這些環(huán)境污染物可能通過(guò)其授粉、采集花蜜等行為活動(dòng)對(duì)蜜蜂個(gè)體和種群腸道菌群構(gòu)成選擇性壓力,進(jìn)而產(chǎn)生藥物抗性和蜜蜂腸道菌群的進(jìn)化。與此同時(shí),蜜蜂在傳粉過(guò)程中與植物和環(huán)境之間發(fā)生細(xì)菌和基因間的交流與傳播,介導(dǎo)細(xì)菌耐藥性在一定范圍傳播。
以往研究發(fā)現(xiàn)在蜜蜂腸道內(nèi)定居的幾種核心腸道細(xì)菌具有明顯的多重耐藥性[38, 65]。而蜜蜂腸道中也被頻繁檢出MGEs,如耐藥質(zhì)粒[33-34]、轉(zhuǎn)座子[38],可能作為蜜蜂腸道中共生菌與致病菌間耐藥性傳遞的重要基因元件[109]。因此,無(wú)論是致病細(xì)菌還是共生細(xì)菌體內(nèi)MGEs上的ARGs,都可能對(duì)蜜蜂健康構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。蜜蜂腸道耐藥基因組可由微生物介導(dǎo),通過(guò)蜜蜂的社會(huì)性接觸行為進(jìn)行水平傳播,也可通過(guò)蜂王遺傳給后代的方式進(jìn)行垂直傳遞。此外,人工養(yǎng)殖蜂群經(jīng)常需要在全國(guó)各地進(jìn)行跨區(qū)域轉(zhuǎn)場(chǎng),以便蜜蜂可以采集各個(gè)花期的花蜜,這種飼養(yǎng)模式可能會(huì)造成蜂群耐藥性的長(zhǎng)距離傳播,與輸送地蜂群和野生蜂群進(jìn)行ARGs交流;蜂王引種是蜂農(nóng)在養(yǎng)蜂生產(chǎn)實(shí)踐中的必要操作,可以強(qiáng)壯蜂群,為了避免近親繁殖,引進(jìn)的蜂種通常來(lái)自距離很遠(yuǎn)的地區(qū),這也是造成蜂群耐藥性傳播的潛在方式。換言之,蜂群轉(zhuǎn)場(chǎng)和蜂王引種2種養(yǎng)殖情況都是細(xì)菌耐藥性廣泛傳播的途徑。
圖1 環(huán)境污染物對(duì)蜜蜂的主要暴露途徑注:AFB表示美洲幼蟲腐臭病,EFB表示歐洲幼蟲腐臭病。Fig. 1 Major environmental pollutants exposure pathways in honeybeesNote: AFB indicates American foulbrood and EFB indicates European foulbrood.
此外,當(dāng)其他傳粉者(例如蝴蝶、熊蜂等)與蜜蜂處于交叉覓食區(qū)域時(shí),因收集某一范圍內(nèi)的共享花卉資源,蜜蜂可以將ARB傳播給其他傳粉者[110](圖2 O),促進(jìn)AMR的傳播。Alger等[111]發(fā)現(xiàn)RNA病毒可以將傳粉植物的花朵作為中間載體,從管理蜜蜂(Apismellifera)體內(nèi)傳遞到野生熊蜂(Bombusspp.)體內(nèi)。此外,蜜蜂之間的耐藥性傳遞會(huì)間接引發(fā)蜂產(chǎn)品的大面積污染,從而給人類健康帶來(lái)安全隱患(圖2 I、圖2 J、圖2 K和圖2 L)。構(gòu)建人類命運(yùn)共同體符合同一健康(One-Health)理念,昆蟲種群健康最終關(guān)系到人類健康,對(duì)于傳粉昆蟲保護(hù)和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重大戰(zhàn)略意義。
有研究證明攜帶病原體的傳粉蜜蜂會(huì)向造訪花朵輸送病原體[112],并且傳粉活動(dòng)成為植物傳播病原體的重要媒介[111]。蜜蜂傳粉者可以在植物之間以及植物和蜜蜂之間進(jìn)行有益微生物的傳遞,例如傳播植物花粉中的鏈霉菌不僅可以增強(qiáng)植物抗病能力,也有助于蜜蜂免受病原體的侵害[113]。但目前關(guān)于傳粉蜜蜂與植物之間的細(xì)菌耐藥性傳播還鮮有研究,至今還沒(méi)有研究數(shù)據(jù)。如果植物中的微生物能夠借助昆蟲活動(dòng)或食物網(wǎng)實(shí)現(xiàn)耐藥性傳播[114],傳粉蜜蜂也可能通過(guò)這些途徑加速耐藥基因的潛在傳播與擴(kuò)散。蜜蜂在采集植物花粉、花蜜時(shí)會(huì)頻繁地跟植物進(jìn)行微生物的交流,這一行為給蜜蜂與植物之間的細(xì)菌耐藥性傳播提供了機(jī)會(huì)(圖2 D和圖2 E)。盡管野生蜂沒(méi)有受到蜂群管理過(guò)程中的藥物暴露影響,但仍有研究人員在野生熊蜂的腸道內(nèi)分離到了攜帶多重ARGs的菌株[115],這可能與蜜蜂通過(guò)植物或植物本身向野生熊蜂間接傳遞耐藥細(xì)菌有關(guān)(圖2 O)。馴養(yǎng)蜜蜂主要包括西方蜜蜂(Apismellifera)和我國(guó)本土中華蜜蜂(Apiscerana),它們是造訪大宗蜜源的主力軍,其在養(yǎng)殖過(guò)程中頻繁的藥物暴露可潛在促進(jìn)食物網(wǎng)中細(xì)菌耐藥性傳播,尤其是生產(chǎn)的蜂產(chǎn)品(蜂蜜、蜂花粉和蜂膠等)直接進(jìn)入食物鏈,關(guān)系到人類的食品安全與健康(圖2 K和圖2 L)。Li等[116]研究發(fā)現(xiàn),中國(guó)蜂蜜中富集了多種ARGs,其中喹諾酮類、氯霉素類和氨基糖苷類是最主要的ARGs類型,蜂蜜中富集的ARGs可能對(duì)公眾健康構(gòu)成潛在威脅。因此,飼養(yǎng)蜜蜂包括西方蜜蜂和中華蜜蜂及其生產(chǎn)的蜂產(chǎn)品的細(xì)菌耐藥性問(wèn)題需要引起關(guān)注。
蜂群采集蜂向花卉植物進(jìn)行蜜蜂與植物共生菌之間的細(xì)菌耐藥性傳播的同時(shí)(圖2 D、圖2 E和圖2 N),蜜蜂也會(huì)促進(jìn)與周圍環(huán)境之間細(xì)菌耐藥性的傳播。如果從整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的角度去研究細(xì)菌耐藥性的傳播還涉及到土壤,因?yàn)橥寥朗侵参镔囈陨娴幕A(chǔ),土壤中大量的微生物與植物內(nèi)生菌之間存在頻繁的交流與傳播[117-119]。大量研究表明,向土壤施加有機(jī)肥會(huì)促進(jìn)細(xì)菌耐藥性向植物體各個(gè)組織器官的傳播[114-115,120-121],植物花朵是土壤和傳粉蜜蜂進(jìn)行微生物交流的橋梁,可作為傳粉蜜蜂腸道菌群與土壤環(huán)境細(xì)菌之間間接交流的媒介,這也意味著傳粉蜜蜂的腸道耐藥組也會(huì)受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)的間接影響(圖2 F)。最近的一項(xiàng)研究更是證實(shí)了土壤微生物對(duì)毛蟲腸道微生物的直接影響[122],這使我們更加意識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)對(duì)于微生物及其細(xì)菌耐藥性傳播的重要性。
圖2 傳粉蜜蜂介導(dǎo)下的潛在耐藥性傳播途徑注:A. 人類活動(dòng)區(qū)中的抗菌藥物耐藥性(AMR)可以通過(guò)畜牧場(chǎng)、農(nóng)場(chǎng)廢水以及人類排泄物排放轉(zhuǎn)移到水源中;B. 人類活動(dòng)區(qū)與蜜蜂之間的AMR交流傳遞;C. 空氣與蜜蜂之間的AMR交流傳遞;D和E. 植物與蜜蜂之間的AMR交流傳遞;F. 借助植物實(shí)現(xiàn)土壤與蜜蜂之間的AMR交流傳遞;G. 蜜蜂與蜂巢之間的AMR交流傳遞;H. 蜜蜂與水源之間的AMR交流傳遞;I. 借助蜜蜂活動(dòng)實(shí)現(xiàn)蜂巢與蜂巢之間的AMR交流傳遞;J. 蜜蜂與蜜蜂之間的AMR交流傳遞;K. 植物、蜜蜂以及蜂巢中的AMR通過(guò)蜜蜂的釀造活動(dòng)轉(zhuǎn)移至蜂產(chǎn)品中;L. 人類通過(guò)食用蜂產(chǎn)品獲取蜂產(chǎn)品中的AMR;M. 植物與土壤之間的AMR交流傳遞;N. 借助傳粉昆蟲實(shí)現(xiàn)植物之間的AMR交流傳遞;O. 植物與其他傳粉昆蟲之間的AMR交流傳遞。Fig. 2 Potential transmission routes of drug resistance mediated by pollinating beesNote: A. Antimicrobial resistance (AMR) from human activity areas can be transferred to water sources through livestock farms, farm effluent, and human fecal discharges; B. AMR communication and transmission between human activity areas and honeybees; C. AMR communication and transmission between the air and the bees; D and E. AMR communication and transmission between plants and honeybees; F. Using plants to realize AMR communication and transmission between soil and honeybees; G. AMR communication and transmission between honeybees and beehives; H. AMR communication and transmission between honeybees and water sources; I. AMR communication and transmission between beehives through honeybee activities; J. Communication and transmission of AMR between honeybees; K. AMR from plants, honeybees, and beehives is transferred to honeybee products through honeybee brewing activities; L. Human access to AMR in honeybee products through consumption; M. AMR communication and transmission between plants and soil; N. Plant to plant AMR communication and transmission by pollinators; O. AMR communication and transmission between plants and other pollinators.
蜜蜂除了采蜜、采粉以外,采水也是一項(xiàng)非常重要的工作,對(duì)保證蜂群日常飲用水和蜂群的筑巢、控溫控濕都不可或缺。因此,水源對(duì)于養(yǎng)蜂場(chǎng)是非常重要的。近年來(lái)在河流里面檢測(cè)到的超級(jí)ARB和ARGs不在少數(shù)[123-124]。受污染嚴(yán)重的水源,尤其是醫(yī)療廢水、制藥廠廢水和養(yǎng)殖場(chǎng)廢水往往具有很嚴(yán)重的抗生素耐藥現(xiàn)象,蜜蜂一旦獲得水源里攜帶的ARB,可能會(huì)造成整個(gè)蜂群甚至更大范圍的細(xì)菌耐藥性傳播。同時(shí),蜂群的細(xì)菌耐藥性也會(huì)通過(guò)采水蜜蜂傳播至水源,進(jìn)而造成水源的污染(圖2 H)。Tian等[68]的研究證明,蜜蜂腸道菌群中的大多數(shù)ARGs都是從環(huán)境中獲得的,與來(lái)自人類或畜禽養(yǎng)殖的病原體特征基因的序列同源性高達(dá)99%,說(shuō)明人類活動(dòng)與飼養(yǎng)蜂群之間存在ARGs的交流。另外值得注意的是,空氣污染對(duì)蜂群耐藥性的影響。研究發(fā)現(xiàn)灰霾天氣的空氣中會(huì)懸浮著更豐富的ARB,而空氣污染也可能會(huì)通過(guò)降雪等方式進(jìn)行ARGs的廣泛傳播[8]。目前已有研究揭示空氣污染對(duì)蜜蜂健康的亞致死效應(yīng)[125],空氣污染是否對(duì)蜜蜂腸道細(xì)菌耐藥產(chǎn)生影響還不得而知(圖2 C),這也是未來(lái)研究需要關(guān)注的。因此,開(kāi)展蜜蜂與蜜蜂、蜜蜂與植物、蜜蜂與其周圍環(huán)境耐藥性的傳播研究對(duì)于同一健康(One health)戰(zhàn)略具有重要的意義。
蜜蜂作為一種具有高度社會(huì)性行為的昆蟲,蜂群內(nèi)部蜜蜂個(gè)體之間和蜂群與蜂群之間都會(huì)進(jìn)行頻繁的社會(huì)性接觸,這為蜜蜂之間的病原體傳播提供了便利。長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì),蜜蜂深受蜂群病原體和寄生蟲的困擾,如細(xì)菌感染引發(fā)的幼蟲病,寄生螨及伴隨的的殘翅病毒影響蜜蜂發(fā)育,真菌感染引起的孢子蟲病、白堊病等。此外,還有大量抗生素、殺螨劑等的使用。這些原因?qū)е铝朔淙耗退幮栽絹?lái)越嚴(yán)重,藥物治療蜜蜂疾病效果越來(lái)越差的窘?jīng)r。隨著世界各地蜜蜂種群數(shù)量的不斷減少,蜂群疾病的暴發(fā)引起了研究人員的高度重視。在2006年發(fā)現(xiàn)蜂群崩潰綜合癥(colony collapse disorder, CCD)現(xiàn)象后,科學(xué)家?guī)缀踉谕粫r(shí)間發(fā)表了完整的蜜蜂基因組序列,為未來(lái)研究蜜蜂疾病提供了重要基礎(chǔ)。本文從蜜蜂腸道耐藥基因組的角度闡述了蜂群耐藥性及其影響因素,不僅可以評(píng)估蜂群的健康狀況,也為蜂群抗菌藥物的合理使用提供參考。最后,調(diào)查蜜蜂腸道耐藥基因組與污染物之間的聯(lián)系有助于改善蜂群健康,指導(dǎo)養(yǎng)蜂生產(chǎn)實(shí)踐,并且可能對(duì)破譯蜂群CCD現(xiàn)象提供理論依據(jù)。
蜜蜂給人類提供了營(yíng)養(yǎng)和藥用價(jià)值俱佳的蜂產(chǎn)品,如蜂蜜、蜂花粉、蜂王漿和蜂膠等,所以蜂群細(xì)菌耐藥性的暴發(fā)會(huì)對(duì)蜂產(chǎn)品質(zhì)量和食用安全性帶來(lái)不利影響。已有研究發(fā)現(xiàn),蜂蜜有可能攜帶ARB和ARGs[116,126-127],而蜂蜜中細(xì)菌耐藥性的出現(xiàn)與蜂蜜的來(lái)源、質(zhì)量以及衛(wèi)生狀況有關(guān)[128]。除此之外,人類食用的大量農(nóng)產(chǎn)品都離不開(kāi)蜜蜂的授粉服務(wù),蜜蜂向農(nóng)作物傳播AMR會(huì)嚴(yán)重影響全球農(nóng)產(chǎn)品安全,威脅人體健康,并有可能通過(guò)人類活動(dòng)進(jìn)行食物網(wǎng)傳播。研究蜜蜂腸道耐藥基因組可以從養(yǎng)蜂實(shí)踐和田間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐2個(gè)方面制定準(zhǔn)確的預(yù)防措施以防止細(xì)菌耐藥性的傳播擴(kuò)散,盡量避免蜜蜂“好心辦了壞事”的情況發(fā)生。
隨著全球健康一體化“One World, One Health”的倡導(dǎo),越來(lái)越多與食物網(wǎng)中細(xì)菌耐藥性傳播相關(guān)的生物和環(huán)境因子被考慮進(jìn)來(lái),包括動(dòng)植物、土壤、水和空氣等[114,129]。理論上,受環(huán)境污染物暴露嚴(yán)重且具有較大遷移性或者活動(dòng)范圍廣的生物或環(huán)境介質(zhì)是關(guān)注的重點(diǎn)。但是,也有可能受到學(xué)科發(fā)展的限制,有些重要的傳播AMR的生物被研究人員忽視了,或者說(shuō)關(guān)于這類生物傳播AMR的研究工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本文主要介紹的是蜜蜂這類傳粉昆蟲對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌耐藥性傳播的潛在影響。蜜蜂作為全球分布最廣、數(shù)量最為龐大的一種傳粉昆蟲[130],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性保護(hù)具有不可替代的作用。蜜蜂是少數(shù)可以介導(dǎo)不同環(huán)境介質(zhì)和部分生物體之間AMR頻繁交流的生物,同時(shí)人工飼養(yǎng)的蜂群也長(zhǎng)期頻繁暴露于各種環(huán)境污染物中。受蜂群病原體和寄生蟲的影響,蜂群內(nèi)所有蜜蜂被迫暴露于抗生素、殺螨劑等藥物;受野外植物大量噴灑農(nóng)藥的影響,蜂群經(jīng)常暴露于農(nóng)藥環(huán)境下,蜜蜂農(nóng)藥中毒事件層出不窮。所以,蜜蜂在授粉的同時(shí)會(huì)不自主地向農(nóng)作物傳播環(huán)境污染物,促進(jìn)蜂群與植物之間細(xì)菌耐藥性的傳播。同時(shí),植物花及植物體周圍也會(huì)向造訪的蜜蜂傳遞ARB和ARGs,這也是為什么把蜜蜂作為周邊環(huán)境污染的指示生物的主要原因[103,131-132]。此外,蜜蜂每天飛行10~15次,平均一天可以采集1 000朵花,能夠在距離蜂房半徑<1.5 km的范圍內(nèi)頻繁活動(dòng)[131,133],在蜜蜂介導(dǎo)下可能會(huì)極大地促進(jìn)植物體間細(xì)菌耐藥性的傳播。事先了解蜂群耐藥性情況可以有效預(yù)防蜜蜂與環(huán)境之間的細(xì)菌耐藥性傳播,也可以減少蜜蜂通過(guò)共享的植物蜜粉源向其他野生授粉昆蟲傳播AMR。所以,研究蜜蜂腸道耐藥基因組對(duì)于評(píng)估周圍環(huán)境污染狀況,量化環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)以及規(guī)避細(xì)菌耐藥性的擴(kuò)大化傳播具有重要意義。
目前,蜜蜂腸道耐藥基因組的相關(guān)研究還處于起步階段,有關(guān)蜜蜂腸道耐藥基因組的組成分布和影響因素研究很少開(kāi)展,蜜蜂對(duì)ARGs傳播的貢獻(xiàn)還知之甚少。我國(guó)作為世界第一養(yǎng)蜂大國(guó),通過(guò)對(duì)蜜蜂尤其是我國(guó)本土蜂種——中華蜜蜂的腸道微生物組和耐藥組的調(diào)查,對(duì)正確認(rèn)識(shí)蜜蜂介導(dǎo)的細(xì)菌耐藥性在生態(tài)系統(tǒng)中傳播的貢獻(xiàn)具有重要意義,同時(shí)對(duì)于我國(guó)蜂產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展與蜂種保護(hù)奠定理論基礎(chǔ)。未來(lái)對(duì)蜜蜂腸道耐藥基因組的研究重點(diǎn)可集中在以下3個(gè)方面。
(1)完善蜂群的污染物暴露來(lái)源,揭示蜜蜂的真實(shí)暴露場(chǎng)景,同時(shí)建立藥物殘留溯源方法。在此基礎(chǔ)上綜合評(píng)估蜜蜂的藥物暴露風(fēng)險(xiǎn),提高蜂產(chǎn)品食用安全性。
(2)探究驅(qū)動(dòng)蜜蜂腸道細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生的主要影響因素以及藥物交叉抗性的形成機(jī)制,如抗生素的使用、農(nóng)藥的污染等,以減少蜂群耐藥性,提升蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全。
(3)深入開(kāi)展蜜蜂介導(dǎo)下的細(xì)菌耐藥性傳播研究,充分認(rèn)識(shí)蜜蜂介導(dǎo)的耐藥基因在不同介質(zhì)中的傳播途徑,尤其是蜜蜂-蜜蜂、蜜蜂-植物、蜜蜂-周圍環(huán)境以及蜜蜂-蜂產(chǎn)品的傳播途徑,以便制定更加有效的控制對(duì)策,有效遏制ARGs的全球性傳播。
通訊作者簡(jiǎn)介:羅義(1971—),女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)。