抗生素存在下给水管网中细菌抗生素抗性和消毒剂抗性研究进展

邢佳夷张永吉周玲玲(.长江水环境教育部重点实验室(同济大学)，上海0009；.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海0009)

0 引言

自1929年青霉素被发现以来，抗生素得到广泛应用。然而大部分抗生素不能被机体吸收，残留在地下水、地表水甚至饮用水中，浓度集中在mg/L级别。水环境中残留的抗生素，不仅对水生生物造成影响，还会诱导ARB和ARGs产生，通过饮用水或食物链等方式对人体健康构成威胁[1]。2011年德国“毒黄瓜”事件、2013年美国圣保罗沙门氏菌感染事件均由ARB 引起，它们所携带的ARGs成为一种新型污染物。相似的，从20世纪70年代美国军团菌感染事件开始，细菌对消毒剂抗性也逐渐引起人们重视。

目前对于饮用水中ARB和ARGs的研究多集中在ARB和ARGs在源水中的分布、水处理工艺去除效果等方面，关于细菌消毒剂抗性的研究主要集中在耐氯菌的种类、危害以及消毒效果评价方面。但给水管网中细菌抗生素抗性和消毒剂抗性机制及它们之间的关系尚不明确。本文结合国内外研究进展，就给水管网抗生素、ARB和ARGs 的含量、耐氯菌的特性以及消毒剂抗性和耐药性关系进行综述，以期为今后进一步研究给水管网中生物耐药性提供参考。

1 给水管网中细菌抗生素抗性

1.1 给水管网中抗生素污染

给水管网中抗生素含量通常较低，但随着检测技术的进步，有关给水管网中抗生素残留的相关报道越来越多。Gaffney在葡萄牙的饮用水样品中，检出包含磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑和红霉素等7种药物，浓度在0.09～46ng/L[2]。Ye在美国北卡罗来纳州的氯化饮用水样本中检出磺胺甲恶唑3.0～3.4ng/L、大环内酯类抗生素1.4～4.9ng/L、喹诺酮类抗生素1.2～4.0ng/L[3]。Ho在我国北京、上海等13个城市不同季节的113个龙头水中检出包含磺胺类、大环内酯类等11种抗生素，磺胺二甲基嘧啶浓度超过50ng/L[4]。张练研究了天津市某供水管网中四环素类、喹诺酮类、氯霉素类、大环内酯类以及林可胺类共16种抗生素时空分布特征，管网中单种抗生素浓度最高达8.62ng/L，总浓度在7月份管网起点处达到最高26.6ng/L[5]。Yiruhan 在广州和澳门市政末梢水中检出氟喹诺酮类抗生素，包括环丙沙星、诺氟沙星、洛美沙星和恩诺沙星，其中环丙沙星浓度最高达679.7ng/L，检出率77.5%以上[6]。以上研究表明，国内外供水管网中抗生素痕量存在已成为普遍现象，且其污染情况在时间和空间上存在差异[5]，并受降雨季节影响[6]。

1.2 给水管网中ARB和ARGs污染

目前ARB和ARGs 被发现在水源水中广泛存在，水处理厂的消毒工艺以及长距离管网输送中的复杂反应，促进了细菌耐药性的增加和ARGs的富集。Prabhat 等在孟加拉国达卡市的175个龙头水中检测出57%的抗氨苄西林大肠杆菌、45%的抗四环素大肠杆菌，超过73%的大肠杆菌为双抗菌[7]。Xi 等对美国密歇根州和俄亥俄州部分地区管网水的检测中发现大部分ARGs的浓度较出厂水增加明显，其中利福平抗性菌占细菌总数的比例最高达82%[8]。王青等发现以九江下游水为源水的供水管网中存在四环素类抗性基因tetA、tetG、大环内酯类抗性基因ermB和万古霉素类抗性基因vanA，其中tetA 和ermB浓度较出厂水下降，tetG 和vanA 反之[9]。以上研究表明，管网中ARB和ARGs 的污染现象较普遍，管壁生物膜复杂的外聚物及空间组织成为ARGs从一个宿主细菌到另一个宿主细菌水平转移的极佳环境条件，可能会增加细菌额外的抗生素耐药性风险，引起细菌群落的迁移，促进ARB 的生长和ARGs 的水平传播[10,11]。

2 给水管网中细菌消毒剂抗性

消毒剂抗性菌指在常用消毒剂浓度作用下，甚至在较高余氯浓度条件下仍不能被杀灭的菌株。Langsrud 认为如果某个(或某种)微生物能够比其他微生物在更高的氯消毒剂中存活或生长，就说明该微生物具有更高的耐氯性[12]Staphylococcus spp.13%。我国《生活饮用水卫生标准GB 5749—2006》规定氯消毒与水接触30min 以后，水中的自由氯不应低于0.3mg/L。因此，通常认为能够在0.3mg/L 以上的余氯系统中存活30m in 以上的细菌称为耐氯菌。

2.1 给水管网中的耐氯菌

耐氯菌的存在对饮用水安全提出了挑战。一方面有些耐氯菌本身就是病原菌或条件致病菌，如分枝杆菌、军团菌、铜绿色假单胞杆菌等，它们进入管网后会引起介水传染病的风险；另一方面，某些非致病性耐氯菌在管网中以生物膜或悬浮状态长期存在，导致龙头水细菌总数超标等问题。在我国南方某自来水管网中富集分离出7株耐氯菌，包括类龟分支杆菌、血红鞘胺醇单胞菌和甲基杆菌，其中类龟分枝杆菌耐氯性最强，使用自由氯灭活99.9%时CT值为120mg/L·min，是金黄色葡萄球菌的260倍[13]。Wang 等在美国弗吉尼亚州的两个典型氯胺消毒管网中发现分枝杆菌，其检出率100%[14]。Liu 对广州和北京供水管网的生物膜群落结构检测中发现，生物膜中分枝杆菌的种群多样性很低，M.arupens和M.gordonae是主要种群，且M.arupense比M.gordonae更耐受氯化物消毒剂[15]。以上研究表明，在给水管网中普遍存在着耐氯性细菌。

2.2 细菌对消毒剂的抗性机制

细菌对消毒剂的抗性一方面表现为由微生物本身的特殊结构或性能所致的固有性抗性，另一方面是在长期与消毒剂的相互作用过程中，通过各种途径得到的获得性抗性。目前消毒剂抗性机理归纳起来包括：生物膜的形成、表面渗透性改变、主动外排系统，以及酶失活等。

①生物膜的形成。大量研究表明吸附于生物膜的微生物对于消毒剂的抵抗能力比悬浮生长的微生物强很多，在实际供水管网中，生物膜中的细菌群体还可以产生协同抗消毒剂作用[10]。②细菌细胞膜的结构与成分改变导致通透性改变，从而阻碍消毒剂进入细胞发挥其原有浓度作用效果。③主动外排系统依靠转运蛋白，将消毒剂等运出细胞以降低其浓度，例如大肠杆菌的Em rE泵。④细菌还可以通过产生抵抗或降解消毒剂的酶从而产生消毒剂抗性。

3 细菌抗生素抗性和耐氯性的关系

抗生素与消毒剂同属于具有特殊抑杀微生物作用的化学物质，它们对微生物的作用机制有很多相同或相似之处。抗生素通过破坏或抑制细菌细胞壁的合成、影响细菌DNA 或者R NA 的复制影响蛋白质的合成或代谢途径等机制对细菌发挥作用。消毒剂的作用机制则还包括电荷相互作用、物理因素和化学反应[16]。

细菌对消毒剂产生耐受性与其对抗生素产生耐药性存在一定关系。Thorrold 发现家用含氯抗菌清洁剂的使用能提高沙门氏菌和大肠杆菌对氟喹诺酮类和四环素类抗生素的耐药性[17]。孙利群发现3株临床分离的多重耐药大肠杆菌对含氯消毒剂均具有一定的抗性[18]。对消毒剂产生抗性的细菌对抗生素也可能产生耐药性，部分耐药菌对某些消毒剂也具有一定抗性，即细菌对消毒剂与抗生素存在交叉抗性，例如在金葡菌家族中PSK1质粒既有编码对溴乙锭、季胺类抗性的qacA 基因，又有抗生素耐药基因Gmγ、Gmγ、TMγ、Kγ、Trγ等[19]。但也有学者发现两者抗性机制不尽相同，例如与耐药菌修饰或改变抗生素作用靶位点从而产生耐药性的机制不同，消毒剂对细菌细胞可以有多个作用位点，改变某一个靶点一般不能够引起抗性作用[13]。

4 研究展望

综上所述，给水管网中细菌抗生素抗性和耐氯性须要得到关注。一方面对于细菌抗生素抗性和耐氯性机制的研究还需进一步深入，同时进一步优化现有消毒方法，防止消毒剂长期选择作用下细菌多重耐药性的产生。我国现行饮用水标准中仅有菌落总数、肠球菌数等少量微生物指标，对于抗生素浓度、ARB和ARGs含量以及其它耐氯菌的规定尚不明确，建议国家相关部门结合国际情况和国内外研究动态，开展专项监测和风险评估，为我国饮用水卫生标准的制定、发展和健康影响评价提供技术储备。