细菌耐药性在环境中的传递及其应对措施

吴宜钊，王亚利，艾晓杰，王秀红，邹新初，邱江平，李银生

(上海交通大学农业与生物学院，上海 200240)



细菌耐药性在环境中的传递及其应对措施

吴宜钊，王亚利，艾晓杰，王秀红，邹新初，邱江平，李银生*

(上海交通大学农业与生物学院，上海 200240)

目前，抗菌药的滥用情况不容乐观，因而细菌对抗菌药的耐药性越来越普遍，超级细菌的报道也屡见不鲜。细菌耐药性的产生速度已经超过了新型抗菌药研发并投入临床使用的速度。细菌耐药性在环境中的传递是细菌耐药性广泛存在的一个重要原因。论文以细菌耐药性的传递为讨论对象，从细菌耐药性在环境中的传递方式和畜牧行业对细菌耐药性在环境中传递的影响两个方面，分析了细菌耐药性的传递特性及其对人类和动物健康的威胁，并对目前应对细菌耐药性的一些方法进行了阐述，同时对未来抗菌药耐药基因去除的研究方向进行了展望，以期能对细菌耐药性的控制提供一定的参考。

抗菌药；细菌耐药性；质粒；传递

自1928年英国Fleming教授发明青霉素以来，各类抗菌药不断推出，挽救了众多人的生命，畜牧行业也从中受益。但是由于抗菌药的滥用，耐药细菌尤其是超级细菌逐渐出现，这就使得细菌感染成为严重危及全球公共健康的威胁之一。在《二十国集团领导人杭州峰会公报》中细菌对抗菌药物的耐药性被列为将会对世界经济产生深远影响的五项潜在因素之一[1]。在我国，国家卫生计生委、国家发展改革委及农业部等14部门联合制定了《关于印发遏制细菌耐药国家行动计划(2016-2020年)的通知》，提出了应对细菌耐药的防控措施[2]。

根据耐药性能否遗传，细菌对抗菌药的耐药性可以分为可遗传和不可遗传两类[5]。不可遗传的耐药性是细菌在外界抗菌药的胁迫下细菌的蛋白网络发生了变化而产生的，当外界的不适因素移除，细菌的表形耐受会逐渐消失[6]。而可遗传的耐药性是由敏感菌在相应的抗菌药的选择下，具有耐药突变的细菌存活下来，或者细菌从环境中获得耐药基因而产生。这种耐药性由于其可遗传性和可传递性使得耐抗菌药的基因得以广泛传播，大大增加了耐药细菌出现的概率，给防治细菌感染的工作带来了很大的困难。只有将杀灭耐药细菌和阻断耐药基因在细菌种群之间的传递两者结合起来，才能遏制超级细菌的出现，为研发新型抗菌药争取时间。

1 细菌耐药性在环境中的传递方式

耐药基因在环境中的传递可以通过垂直传递和水平传递两种方式进行。耐药基因的垂直传递是其在世代中的传递，细菌在分裂的过程中，耐药基因进入子代体内；水平传递是耐药基因在细菌群属间的传递。细菌耐药基因的水平传递和抗菌药滥用都会导致环境中耐药细菌的比例上升，有研究表明细菌耐药基因的水平传递是抗菌药耐药性细菌出现的主要原因之一[7]。Sundström L[8]和Tribuddharat C等[9]对人类和动物源的细菌病原体的研究发现，水平传递是多重抗菌药耐药性出现的原因。耐药基因的水平传递可以通过转化，转导和接合等方式进行，其中接合的方式最为重要，这种机制广泛地存在于细菌中[10]。大量研究表明，耐药基因能够插入整合子[11]，并通过不同细菌之间的接合，随着整合子在细菌之间传递。整合子对耐药基因的捕获和表达在细菌耐药性的传递过程中起到了重要的作用，由于一个整合子可以捕获多个耐药基因，由此可以形成多重耐药的细菌[12]。当细菌中的耐药基因累计到一定程度，就有可能形成耐大部分抗菌药的致病性强的超级细菌，从而严重威胁人类健康。

2 细菌与质粒种类对细菌耐药性传递的影响

2.1 细菌种类对细菌耐药性传递的影响

在革兰阴性菌尤其是肠道杆菌中，R质粒以接合传递方式传递耐药性比较普遍[13]。黄瑞等[14]的研究发现耐药质粒pRST98能在4种不同的肠道杆菌之间传递，但是在不同种属之间传递时R质粒接合难易程度不同，而且同一种R质粒在不同宿主菌中耐药性的表达也有一定的差异。由此可见，不同细菌之间可以传递耐药性，同时不同细菌对相同的耐药基因的表达不完全相同。这可能会造成细菌耐药性的变化，增加细菌耐药性控制的难度。

2.2 质粒种类对细菌耐药性传递的影响

能传递耐药基因的质粒中，存在能够在不同种类的细菌之间传递的广宿主接合质粒，同时还存在具有多个耐药基因的多重耐药质粒[15-17]。侯瑞娟[15]对志贺菌属细菌质粒的研究中发现了一种多重耐药的广宿主接合质粒，这种质粒既可介导大肠杆菌与志贺菌属细菌之间耐药性的水平传递，还具有头孢类及单环内酰类的耐药基因，并且这种质粒还可能与志贺菌属对喹诺酮类、氯霉素、磺胺类等抗菌药耐药性的产生有关。广宿主接合质粒和多重耐药质粒的存在，使得低致病性但耐药性强的细菌可以将耐药基因水平传递给致病性强的细菌。一些条件致病菌和低致病细菌如嗜麦芽寡养单胞菌和鲍氏不动杆菌等具有广谱耐药性，对多数临床使用的抗菌药都具有一定的抗性，而且对一部分的抗菌药甚至高度耐药，并且这些细菌体内含有可以传递的带有耐药基因的质粒，这就使得虽然这些细菌的致病力不强，但是可和与其在同一感染环境如人体中的其他致病菌交换遗传物质，将其耐药质粒水平传递给其他致病力较强的细菌菌株，使得致病性较强的细菌获得抗菌药耐药性，产生更大的危害[16-17]。

3 畜牧行业对细菌耐药性传递的影响因素

3.1 饲料添加剂对细菌耐药性传递的影响

高丽丽[18]将带有CTX-M-15耐药基因的大肠杆菌和敏感菌混合，分别用PBS溶液和膨润土溶液培养，发现膨润土溶液中，细菌CTX-M-15基因的接合效率提高了大约20倍，表明膨润土在耐药基因转移方面具有重要的促进作用。膨润土广泛应用于饲料添加剂中，而畜牧业又是抗菌药使用较多的行业，在牲畜得病使用抗菌药后，具有耐药基因的病菌被筛选出来，在膨润土的作用下，耐药基因向环境中传递的概率大大增加，这就使得环境中的耐药细菌所占的比例提高。

根据Yu Z等[19]研究，一些包含重金属元素的兽药也有可能使得细菌出现耐药性，因为细菌的某些具有重金属抗性基因的质粒上也可能会有一个或多个抗菌药耐药基因。当这些含有重金属的兽药使用后，在重金属的胁迫下，这些具有抗菌药耐药基因和重金属抗性基因的质粒的细菌会被筛选出来，同时这些质粒也会向其他细菌水平传递，这就可能造成虽然环境中可能没有抗菌药，但是抗菌药耐药基因仍然在传递的情况。

3.2 禽畜粪便对细菌耐药性传递的影响

由于全球对抗菌药的过量使用，一部分抗菌药类药物未被动物体完全吸收、利用，这部分抗菌药会通过粪便排泄进入周围环境中。国内外的研究表明施用粪肥的土壤是抗菌药抗性基因的“储藏库”[19-22]。Smalla K等[21]将猪粪细菌中携带有耐药基因的遗传元件分离，转入假单胞菌UWC1和大肠埃希菌CV601中，进行一系列试验，发现动物粪便会促进土壤中抗菌药抗性基因水平转移，并且IncQ质粒在耐药基因的水平传递中有重要作用。王娜[22]研究了未施用粪肥和施用猪粪肥和鸡粪肥的土壤中的磺胺类抗菌药的耐药细菌和耐药基因分布情况，发现施用粪肥的土壤中耐药细菌的种类和数量显著大于未施用粪肥的土壤，有抗菌药残留的农家肥的施用有助于增加土壤耐药菌的多样性。抗菌药还会还会随着粪便等进入水体,而污水处理厂现有处理技术不能对其进行有效去除，这就使得在一些水体中出现了低浓度的抗菌药[23]。根据Suhartono S等[24]的研究，在低浓度的抗菌药条件下，如果含有多个抗同一种抗菌药的耐药基因，耐药细菌可以在污水或接收污水的水体中存活。在这种情况下，耐药细菌保持在环境中的竞争优势，使得耐药细菌在总体中所占比例升高，细菌的耐药性更容易传递到周围环境中。因此，畜牧业产生的粪便、尿液不能直接向环境中排放，需要经过处理，去除粪便、尿液中的抗菌药和潜在的耐药细菌。

3.3 农产品对细菌耐药性传递的影响

Jung Y等[25]通过研究不同温度下，胰蛋白胨大豆肉汤、巴氏杀菌奶、未经巴氏消毒的牛奶、苜蓿芽及切碎的生菜中，佛里德兰德氏杆菌中广谱β内酰胺酶编码基因的转移频率，发现在非低温的情况下，新鲜农产品可能促进抗菌药耐药性基因的传播，这对人类健康有潜在的负面影响。所以在农产品运输和烹饪后保存过程中，需要注意温度的管控。

3.4 动物对细菌耐药性传递的影响

宋立等[26]测定了接种耐药菌前后SPF鸡体内的大肠埃希菌和沙门菌的耐药情况，发现3 d后，整个鸡群中就能分离到耐药菌株，并且分离出的细菌的耐药图谱与所接种的耐药菌完全一致，表明耐药基因的传播速度很快，不亚于急性传染病的传染。由此可以看出，鸡体内的复杂环境并不能阻碍细菌耐药性的传递。在这样的情况下，如果在使用抗菌药的过程中，一旦产生了耐药细菌，其抗性基因很有可能会不断向环境和其他动物传递，这就可能造成严重的后果，危及人类和动物健康。

4 应对细菌耐药性对策

4.1 控制抗菌药的使用

宋立等[26]的研究发现，将多重耐药大肠埃希菌和沙门菌接种到没有携带耐药细菌的SPF鸡体内后，发现如果不使用抗菌药，没有了抗菌药的胁迫，随时间推移，耐环丙沙星的细菌和非内源菌群沙门氏菌逐渐减少，直至在23 d后消失；耐四环素的菌株能持续存在，但分离到的菌株逐渐减少。这就说明虽然细菌的耐药性在鸡的体内容易扩散，但是如果在轻微感染的情况下，控制抗菌药的使用，这就会使得耐药菌、非内源菌等与内源菌处在没有抗菌药胁迫的环境中，在这种条件下，耐药细菌维持耐药性会成为一种“负担”，使耐药菌和非内源菌失去在生存竞争中的优势，逐渐被敏感菌株取代。由此可见，在日常生活中控制抗菌药的使用，有利于缓解细菌耐药性的形成，减缓细菌耐药性的传递。

4.2 控制畜禽粪便中的抗菌药向环境中的排放

抗菌药在畜牧行业的广泛使用，使得禽畜粪便中含有较多的抗菌药，如果不将其进行处理直接排入环境，会使得环境中出现大量抗菌药，并对细菌进行选择，使得耐药细菌的比例提高。潘寻等[27]研究堆肥过程对磺胺二甲嘧啶、土霉素、金霉素及泰妙菌素这4种抗菌药的去除效率，发现堆肥能够去除大部分抗菌药。Selvam A等[28]通过将带有不同浓度的金霉素、磺胺嘧啶及环丙沙星的猪粪进行堆肥，发现经过28 d～42 d的堆肥，除了氟喹诺酮类抗性基因prC以外，其余选取的抗性基因均未检出。Li H等[29]则在鸡粪堆肥中加入了竹炭，发现26 d后大多数抗性基因(tetC，tetG，tetw，TeTx、sul2，drfal，drfa7、ermB、ERMF，ermq、ermx)的相对丰度下降了21.6%～99.5%。由此可见，堆肥可以降低粪便中耐药基因的丰度，可以通过将清除粪便堆肥来减少其中的耐药基因，以此减少耐药基因的环境暴露量。对于污水尤其是养殖污水中的抗菌药，可以通过人工湿地法、土壤渗滤系统法、超声降解法、加强型活性污泥法和低温等离子技术这几种方法进行处理，以减少环境微生物产生耐药因子的风险[30]。

4.3 研发新型的抗菌药

目前大部分抗菌药已经有了相应的耐药细菌，但是只要研发出新型抗菌药的速度大于耐药性产生的速度，那么细菌感染的威胁将大大减小。所以在采用其他措施应对细菌耐药性的同时，也应该对新型抗菌药进行研发。Ling L L等[31]发明了一种新的抗菌药，称为teixobactin，teixobactin通过与脂质Ⅱ(肽聚糖的前体)和脂质Ⅲ(细胞壁磷壁酸的前体)的一个高度保守的序列结合来抑制细菌细胞壁的合成，目前未发现teixobactin相应的耐药细菌。Molshanskimor S等[32]通过研究噬菌体，发现了一些可以抑制细菌的蛋白质，通过DNA测序定位了这些蛋白质的靶标，其中一种蛋白的靶标是细胞骨架蛋白，这种噬菌体蛋白表达后会使细菌的骨架蛋白功能受损，导致细菌死亡。这种蛋白质有望开发成一种新型的抗菌药。此外，目前还有有关于氧化石墨烯纳米复合材料作为一种抗菌药物，用于治疗多重耐药细菌的感染的报道[33]。目前开发的抗菌药已经不在局限于真菌等分泌的抗生素，通过不断地研发新型抗菌药，避免细菌感染无药可用的情况发生，同时合理控制现有抗菌药的使用，能够大大降低耐药细菌对公共卫生安全的威胁。

4.4 研发除抗菌药外的应对细菌感染的方法

Soltani R等[34]的研究表明，番茄碱虽然自身没有杀灭细菌的作用，但是与一些抗生素如庆大霉素和头孢吡肟等，形成协同作用，增强这些抗生素的对金黄色葡萄球菌的杀菌作用。如果研发此类具有协同作用的药物，并与抗菌药混合使用，就能在达到相同治疗效果的条件下，减少抗菌药的使用量，以此减少抗菌药进入环境的量，减少耐药细菌产生的风险。同时由于这类药物自身没有杀菌作用，不会引发细菌耐药性的产生，使的依托这类药物建立的治疗方案成为遏制细菌感染的有效途径。

在治疗细菌感染的过程中，利用抗菌药杀灭细菌只是治疗方法之一。还可以通过其他方法来降低细菌感染时的影响或杀灭病菌。Popov L M等[35]利用诱变单倍体人类细胞进行了遗传筛选,发现了金黄色葡萄球菌所分泌的α毒素发生细胞毒性作用所需的宿主细胞因子PLEKHA7蛋白，将表达PLEKHA7蛋白的基因敲除后，细胞可以从中毒中恢复，由此可以降低肺炎对人体的影响。通过类似的方法，研发其他类型的抗菌措施，可以在不使用抗菌药的情况下治疗细菌感染，这就增多了应对耐药细菌对人类与动物感染的手段。

5 展望

通过采用控制现有抗菌药物的使用、研发新型抗菌药物及其他抗菌方法等措施后，细菌的耐药性会得到控制，但是环境中的细菌耐药质粒仍然存在，会使部分细菌继续获得耐药性。同时环境中的抗菌药物残留会对细菌进行筛选，所以应该对环境中的耐药基因进行去除。对于通过药物消除耐药细菌体内的耐药质粒的方法已有较多的报道[36-37]，但是仅仅消除部分耐药细菌的质粒对阻止细菌耐药性的发展并没有太大作用。因为即使消除了细菌体内的耐药质粒，细菌还是可以从环境中继续摄取到耐药基因。同时也有利用物理方法降低土壤中耐药基因丰度的方法，例如Duan M等[38]就通过向土壤中添加生物炭减少了土壤中的耐药基因。但是物理方法不但需要较大的工程投入，而且可能会改变土壤的理化性质。所以，如果可以通过生态学的角度，去除大环境中的耐药基因，降低耐药基因出现的频率，使得环境耐药细菌减少，就可能延缓目前细菌耐药的严峻形势。而要达到此目的，需借助环境生物的作用，使土壤、水体中的耐药细菌失去耐药基因，这需要进行大量的研究。

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Transmission and Countermeasures of Antimicrobial Resistance in Environment

WU Yi-zhao,WANG Ya-li,AI Xiao-jie,WANG Xiu-hong,ZOU Xin-chu, QIU Jiang-ping ,LI Yin-sheng

(SchoolofAgricultureandBiology,ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai，200240,China)

At present,antimicrobial resistance has become a serious problem in the world because of antimicrobial abuse.The speed of antimicrobial resistance invention and clinical use is slow while antimicrobial resistance appears quickly.Meanwhile,the transfer of antimicrobial resistance in the environment is one of the important reasons for the wide spread.In this review,a brief introduction of the transmission of antimicrobial resistance in the environment was presented firstly.Next,it was discussed that how antimicrobial resistance genes transmit in the environment and the influence of some bacteria and animal husbandry factors on it.Then some methods to deal with the problems were summarized.In the end,there was an outlook about a possible way to remove antimicrobial resistance genes from the environment.

antimicrobial; antimicrobial resistance; plasmid; transfer

2016-11-07

国家自然科学基金项目(31172360)

吴宜钊(1994-)，男，四川九龙人，硕士，主要从事生态毒理学研究。*通讯作者

S859.7

A

1007-5038(2017)07-0100-05