环境中抗生素抗性菌及抗性基因的研究进展

刘孟豪 汪明金 何秘 马安楠 魏嘉

摘 要：抗生素抗性菌及其抗性基因已成为公认的环境污染因素之一，威胁着人类健康和生态系统稳定。抗生素在临床和养殖业中的不合理使用，导致其在生态环境中残留，使得携带抗生素抗性基因的微生物获得了竞争优势，而抗性基因亦可在细菌之间发生转移，从而加速传播。该文对近年来国内外抗生素抗性菌及抗性基因的来源、危害性、抗性基因转移机制及细菌耐药性机制的研究进展进行了综述，分析了残留在环境中的抗生素抗性基因的污染现状和生态风险，以期为今后的相关研究提供参考。

关键词：抗生素;抗生素抗性菌;抗性基因;生态环境

中图分类号 X505 文献标识码 A 文章编号 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，抗生素已廣泛应用于临床医学和兽医学中，通过抑制细菌、真菌和原生动物等微生物的生长来预防或治疗微生物感染和促进养殖场禽畜生长[1]。研究表明，用于医疗或者禽畜养殖的抗生素约有30%～90%以原药或代谢废物的形式排出体外且在环境中形成积累，并对微生物抗生素抗性的产生给予选择性压力[2]。随着人类活动的不断增多和活动范围的不断加大，抗生素和抗生素抗性基因逐渐被人类活动带入到各种生态环境中，由此对细菌抗药性产生了潜在和持续的影响。抗生素的抗药性现象一直存在，伴随着抗生素的发现和使用历程，直到随着大量、多重抗药性致病菌的大范围流行导致严重的公共卫生事件后，抗生素的抗药性问题才开始逐渐被人们所关注。

1 抗生素抗性菌及抗性基因的来源与转移

1.1 抗生素抗性菌的产生与来源 近年来，由于抗生素的大规模使用，诱导动物肠道内的细菌产生了一定的耐药性，从而产生了抗生素抗性菌（Antibiotic Resistance Bacteria，ARB）[3]，动物粪肥的施用加速了ARB在环境中和细菌间的传播。环境之中存在数量众多且种类多样的微生物，各类微生物是抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes，ARGs）的重要宿主。环境中ARGs的重要来源之一就是环境微生物潜在的内在抗性和来自外界的外源输入[4]。而绝大多数用于治疗的抗生素来源于施加到土壤中的禽畜粪肥中滋生的微生物，因此土壤也是ARGs的重要来源之一。经研究证明，土壤微生物中的ARGs丰度高且具有生物多样性，其来源也是来自土壤本身抗生素抗性菌的本底抗性和由外源携带入土壤环境[5]。

1.2 抗生素抗性基因的转移与传播 ARGs通过多种直接或间接的传播转移途径在环境介质中大肆蔓延，在传播过程中诱导出多种抗性菌。水环境（养殖场化粪系统、水产养殖、污水处理系统）、土壤环境、空气、动植物体既是ARGs的重要的储藏库，也是影响ARGs丰度的重要介质因素[6]。ARGs既可以在环境中通过物理方式进行传播，也可以通过子代遗传和基因转移等方式在微生物之间进行转移传播，其方式包括基因垂直转移和水平转移。ARGs的垂直转移（Vetical Gene Transfer，VGT）是指自身携带ARGs的亲代细菌在增殖过程中发生基因转移，将ARGs传给子代细菌的过程，此传播方式具有一定的限制，但也提高了ARGs在环境中的丰度与分布范围。ARGs的水平转移（Horizontal Gene Transfer，HGT）是引发全球范围内抗生素耐药性感染发生率逐年上升的主要原因。HGT是微生物基因组中可移动遗传因子（MGEs）通过接合、转化、转导等转移方式将ARGs从一种微生物转移到另一种微生物，从而使后者获得抗生素耐药性的一种机制[7]。HGT与抗生素的广泛使用甚至是滥用密不可分，而抗生素造成的环境污染问题也与HGT机制的转移速度快、传播范围广等特点密不可分。

2 环境中的抗生素抗性菌及抗性基因

2.1 水环境中的抗生素抗性基因

2.1.1 在水环境中的来源及转移 目前，已有多人在地表水体、污水和饮用水样本中多次检出抗生素抗性菌及抗性基因[8]。首先，医院是抗生素的主要消费者，促进了抗生素耐药性的传播[9]。加之人类对于抗生素的使用导致人体内不可避免地诱导出抗性菌，这些抗性菌随着人类的代谢活动等排入医疗废水及生活污水中，大大增加了医疗废水中抗生素抗性基因的含量与丰度[10]。在养殖业中含有抗生素及其衍生物饲料的大量使用，使得动物养殖场的养殖污水同样成为水体环境中ARGs的主要来源之一[11]。无论是医疗、生活及工业废水，还是养殖场的养殖污水，都会流入污水处理厂，使其成为水环境中抗性基因转移传播的重要贮藏站及转移基地[12]。地表水也是ARGs转移传播的首要及主要方向。研究表明，污水处理厂中的抗性基因会随着污水的排放而进入自然水体中。近年来，研究人员在多处江河湖海等地表水体中检测出大量的ARGs[13]，在水产养殖环境中也检测到一定量的ARGs[14，15]。经降雨等原因产生的地面径流会溶解土壤及其他环境中的部分ARGs并携带其进入地表水体中[16]。综上，地表水已成为了环境中ARGs的一个主要的储藏库。

2.1.2 在水环境中的分布 各种抗生素类化合物自身的蒸汽压较小，亲水性较强，所以此类污染物多存在于各种水环境中[17]。抗生素抗性基因大量存在于其直接转移基地-地表水中，且在不同区域或不同水域中，ARGs的分布同样存在着明显差异。Bing Li等利用宏基因组学用于AGRs定量，在10种典型环境的50个取样点中，ARGs在河水的丰度为1.7×10-2～3.1×10-2拷贝，在饮用水的丰度为1.2×10-2-4.7×10-2拷贝;在污水处理厂的废水中，丰度为1.9×10-3～3.2×10-2拷贝。12种代表性ARGs亚型分属于9种类型，占废水总ARGs丰度的76.9%。这些数据都表明，在地表水中抗性基因的数目极为可观[18]。Yi LUO等研究了不同时间段中国海河的一段河道采集的水和沉积物样品，发现在夏季收集的沉积物样本中，sul1的最高ARG浓度为（7.8±1.0）×109copy/g，sul2的最高ARG浓度为（1.7±0.2）×1011copy/g，据此可知水环境中ARGs的存在有着时间分布差异特征[19]。Antti Karkman等研究表明，在接收污水处理厂的废水的河流中，ARGs的转移可能会影响到污水处理厂的下游，污水经处理后，大部分抗性基因依旧未被去除甚至更高[20]。此外，水是动植物、微生物生长的必需条件，水中残留的ARGs会在水生环境中造成广泛的生态风险[21]。

2.2 养殖环境中的抗生素抗性基因 抗生素在畜牧业和养殖业中的长期使用甚至滥用，使得在养殖动物肠道内诱发出抗性菌，这些可以编码ARGs的菌株是各种养殖环境中抗生素抗性基因重要的来源之一。

2.2.1 养殖业中抗生素使用现状 兽用抗生素特别是在畜牧业和养殖业中使用的抗生素是导致环境中ARGs的增加和抗性菌耐药性不断变强的主要原因。在畜牧业和养殖业使用抗生素，多是用于治疗疾病和促进动物生长。研究表明，中国每年有超过8000t的抗生素被用作饲料添加剂[22]。细菌通过携带ARGs获得抗生素抗性，可以在病原体、非病原体，甚至在亲缘较远的有机物中转移。动物的胃肠道可能是抗生素抗性基因产生和传播的地方，这些具有耐抗生素细菌的抗生素抗性基因在排便时被排出体外[23]。因此，在畜牧场的土壤和废水中ARGs的浓度和种类都明显高于一般的河水和土壤。养殖场的人们也易吸入大量生物气溶胶抗生素而受到抗生素耐药性病的侵染[24]。

2.2.2 水产养殖环境中抗生素使用现状 集约化的养鱼增加了鱼类对各种抗生素的敏感性。在坦桑尼亚，使用的鱼饲料包括麦麸、玉米糠、蔬菜、厨余、天然草料和来自猪牛羊家禽的粪便。在水产养殖场中，一般不使用杀菌剂作为药用饲料，而在畜牧场和动物养殖场会使用杀菌剂和生长促进剂[25]，所以抗生素残留物来源可能是动物的粪便。动物粪便作为耐药细菌的宿主，致病菌通过水环境更容易在鱼类之间传递。因此，水、沉积物、周围的生态系统就直接或者间接的暴露在了抗生素中，使生态系统中的微生物产生定向选择，导致其产生抗生素抗性。

2.3 土壤环境中的抗生素抗性基因 养殖场中粪肥的使用也是抗生素进到土壤环境的主要途径之一。动物粪便是各类ARB、ARGs和各类病原体的重要储存库。这是因为抗生素的大量使用，许多抗生素在动物肠道中未被吸收利用，从而导致抗生素在动物肠道中积累，并且养殖动物的肠道内诱导出大量ARB[26]，而这些肠道中诱导出来的抗性菌会随着粪便施用转移到土壤中。在农田大量使用粪肥，会造成土壤中抗生素和抗性基因菌株的不断累积，进而使土壤原有的微生物通过诱导产生抗性菌或通过基因交换、水平转移基因，从而使得抗性基因得到传播与扩散。

Nikolina Udikovic-Kolic等研究比较了施用牛粪和无机肥（氮、磷、钾）对土壤中总细菌数量和耐β内酰胺细菌种群的影响，结果表明，施用牛粪肥料处理的土壤培养细菌的数量明显高于施用无机肥料处理的土壤，这可能是粪肥处理可以诱导来自土壤或粪肥的抗头孢菌素细菌的生长 [27]。Chen Baowei等用宏基因组学的方法在没有经过人为抗生素干扰的西藏土壤中检测到不同类型的ARGs，其中bacA、mexB、mexF、mexW等4种亚型的丰度比其他ARGs高，结果表明，在藏區土壤环境中，极少量的ARGs被MGEs携带，说明这些ARGs在细菌间转移的可能性很低[28]。

2.4 多种环境中抗生素抗性基因间的相互交流 由抗性基因在水环境来源及转移，可以了解到代谢废水随着集中处理排入到污水处理厂。冀秀玲等在养殖场污水样本中检出8种ARGs，磺胺类ARGs中sul A的含量最高，四环素类ARGs中tetW的含量最高[29]。且有研究显示，不同种抗生素类及不同转移机制的抗性基因在其中的丰度也不尽相同。Cheng等研究表明，猪场废水中不同抗性机制的四环素抗性基因中核糖体保护抗性基（tetQ、tetM、tetW、tetO）丰度较高[30]。成卫孝研究了施加厌氧发酵猪粪水的土壤生态系统中3种核糖体保护机制的四环素类抗性基因丰度，结果显示，tetQ>tetO>tetW，表明tetQ平均丰度最高[31]。

除养殖废水外，医疗废水也是ARGs的主要传播转移途径之一。Schwartz等在德国某家医院的废水中发现了编码甲氧苯青霉素的ARGs-mecA[32]。Heuer等研究发现，在比利时某家医院的废水中含有携带庆大霉素抗性基因的大肠杆菌和可以编码甲氧苯青霉素抗性的基因mecA[33]。医疗废水进入污水处理系统，抗性基因的一部分随污泥的再生堆肥返还农田土壤中，另一部分在废水中随河流通过灌溉、地下水渗透进入土壤。

ARGs对人类健康构成了严重威胁，已经描述了几种传播途径和机制，但是微生ARGs通过大气粒子的传播作为一种全球传播的途径却很少受到关注，这些大气粒子可以通过降雨或降雪返回地球表面，从而促进ARGs的长距离传播。Zhu Guibing等对来自中国主要城市、北美3个城市和欧洲1个城市的44个新采雪样本中的ARGs进行了分析。对ARGs和移动遗传元件（MGEs）的高通量qPCR的分析表明，空气污染可能加剧新雪样中ARGs的传播，严重增加空气污染和ARGs的健康风险[34]。

综上所述，养殖动物肠道中的ARB可以随其代谢后，经雨水冲刷、地表径流溶解和大气扩散等多种传播途径进入土壤。ARGs也可通过扩散、水蒸气循环、风载尘埃、废水处理厂或生物质燃烧等方式吸附在生物气溶胶上进入大气，随后通过喷射流在全球传播。而土壤系统的渗透作用则可以连接地表上的抗性菌株及ARGs，导致地下水中也含有数量“可观”的ARGs[7]。最终，地下水又重新被人类及其他生物体吸收利用。抗性基因就此保持着在水环境、大气环境和土壤环境之间的无限循环，成为新的环境污染物。

3 结语

生态环境在微生物的抗生素抗药性传播转移过程中起着关键的作用。各类环境不仅是ARGs的巨大贮存库，也是其源头、传播载体和滥用产生的危害的最终承受者。生态环境这样一个封闭且交叉的复杂系统，使得各种微生物始终处在抗生素和抗药性因子的影响之下。在各类水体、土壤、养殖场等环境中ARB及ARGs的检测结果表明，抗生素的滥用现象是普遍的，这对于生态环境以及人类健康的威胁是巨大的。在医疗领域和动物畜牧业、养殖业等方面合理地使用抗生素是十分必要的。此外，ARGs对环境的污染也是值得关注和急需解决的问题。

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（责编：张宏民）