耐药基因在食品链中的传播及风险管控

周瑜桥，高胜普，贺 泽，张恩宝，曲道峰*

（1 浙江工商大学食品与生物工程学院 杭州310018 2 中国动物疫病预防控制中心 北京100000）

多年来，抗生素作为促进生长，提高饲料效率，预防和治疗传染病的药物被用于畜牧业和水产养殖等[1]。细菌通过细菌基因突变或通过获得携带在移动元件上的外源性耐药基因来抵抗一种或几种抗生素作用的能力被定义为耐药性（Antimicrobial resistance，AMR）。耐药菌的广泛流行使得这些抗生素丧失了在治疗威胁生命的感染中的价值。世界卫生组织认为，过去10年中抗生素耐药性已经严重威胁到全世界人民的生命。耐药性和耐药基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）是天然存在的，然而，抗生素的广泛使用及现代生产方式，驱动了耐药基因“前体”或“隐身”的进化，更引起耐药基因在病原菌之间的转移，从而得到更多样、更丰富、流动性更强的耐药基因组[2]。进入21世纪以来，多种病原菌出现耐药株（Drugresistant strain）、多重耐药株（Multi-drug resistant strain），甚至泛耐药株（Pan-drug resistant strain），给人类临床医疗和兽类临床医疗带来巨大挑战。耐抗生素细菌每年在全世界造成70 多万人死亡[3]。在农业中广泛使用抗生素促进生长和预防疾病，对家畜生产和食品安全以及人类健康产生了重大影响[4]。国际、政府、食品行业部门和学术界都致力于抗击日益严重的耐药性感染。不同部门需协调努力，以解决动物和人类健康、农业、食品和环境等方面的交叉问题。

1 耐药基因

微生物在漫长的进化过程当中产生了能抵抗外界某些化学物质的能力，形成相应的耐药性。耐药性的形成是由其耐药基因决定的，并能够遗传给后代[5-6]。细菌耐药性的进化和发展有2 条主要的生物学途径：1）耐药性可以通过自然细菌种群中预先存在的表型来调节。在进化过程中，耐药基因在现有基因（染色体或质粒）上积累并通过垂直基因转移（Vertical gene transfer，VGT）到子代细胞[7]；2）通过细菌物种之间的基因内部交流，即水平基因转移[7]（Horizontal gene transfer，HGT），获得新的耐药基因，这些耐药基因隐藏在可移动的遗传元件上，如质粒、整合子、转座子、插入序列和噬菌体相关元件等遗传材料中[8]，通过接合转移（在细胞间接触和性因子的协助下，DNA 从供体转移到受体细菌）、变换（存在于环境中的裸DNA被受体细胞吸收）和转导噬菌体作为载体将DNA插入受体细胞[5]。

1.1 耐药基因的水平转移

HGT 是指在不同生物个体或细胞内部DNA之间进行的遗传物质的交流，这种现象突破了种、属的界限，促进了遗传物质的交换和重组，在基因组进化和环境适应过程中十分重要[8]。HGT 在很大程度上促进了耐药性的迅速传播，然而人们对耐药性基因的传播动力学知之甚少。HGT 的多种机制将基因从正常的垂直遗传中解放出来[9]，在耐药性的传播中起到了关键作用。

耐药基因通过HGT 使得新的细菌群体获得新的耐药基因和耐药机制，从而产生了不同的耐药谱。这一过程可以被认为是耐药基因传播的主要驱动力，可在物种间传播，尤其在动物和人类的细菌微生物群落（胃肠道、鼻咽黏膜和皮肤）中广泛存在[5]。可移动耐药元件在耐药性产生和传播中具有重要作用。介导耐药基因移动的可移动元件及其侧翼耐药基因的总和称为可移动耐药基因组（Mobile resistome）[10]，可移动耐药基因组增多意味着耐药性传播的风险增大。

1.2 我国细菌耐药现状

在全球范围内多重耐药和泛耐药细菌的种类很多，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌[11]、产超广谱β-内酰胺酶的大肠埃希氏菌[12]和耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌[13]，它们都具有较高的患病率，在国内这种耐药菌也十分普遍[14]。磺胺类耐药基因和四环素类耐药基因是我国检测最多的耐药基因[15]。目前，临床上对于这些耐药性致病菌所引发疾病的治疗药物十分有限。动物病原菌是耐药基因的主要储存库之一，并且可以通过食物链转移给人类。在集约化生产越来越普遍的情况下，许多抗菌类药物被用于动物饲料中，在我国一半以上的抗生素被用于动物养殖中[16]。这种做法虽增加经济效益但同时也带来了巨大的卫生安全隐患，长期大量使用抗菌剂会促进并加剧耐药菌的出现。食品加工环境也可能是ARGs 获取和传播的潜在热点[17]。耐药基因通过食物链传播的可能性日益令人担忧。

2 食物链中耐药基因的传播

耐药基因沿着食物链上的传播是全球性的一个公共卫生问题，一些研究报道食用动物产品已被耐药菌株感染，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）[18]，耐抗生素弯曲杆菌属[19]、超广谱-内酰胺酶（ESBL）-肠杆菌科（即沙门氏菌属，志贺氏菌属）、大肠杆菌、克雷伯氏菌等[20-21]。最近，随着具有重大流行潜力的耐抗生素细菌的出现，如碳青霉烯类耐药肠杆菌科（CRE）[20]，和耐黏菌素大肠杆菌[22]，以及新兴的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等，情况进一步恶化[18]。这些被认为来源于食用动物的有毒菌株，因其毒理机制和高基因交换，被认为是一个重要的卫生安全问题。它们可能导致新的、更有抵抗力的、毒性更强的和可移动的毒株出现，而这些毒株对于人类来说是未知的[23]。

2.1 在食物链中的传播趋势

耐药的人畜共患病原菌和携带耐药基因的共生体菌株可以通过多种途径感染人群，食品只是其中之一[24]。耐药细菌可能通过直接或间接接触的途径沿食物链传播，如图1所示。人与动物和一些生物物质（如血液、尿液、粪便、牛奶、唾液和精液）的直接接触可能引起甚至促进耐药细菌在宿主之间的迅速传播。而相对应的，与这些传播源密切接触的人（如兽医、农民、屠宰场工人和食品加工者等），有很大的被耐药细菌感染的风险。人们常因为在初期未感到明显的危害而忽略自己已被感染的情况，这也加大了传播风险，尤其容易传播给密切接触者（家人、朋友），从而进入各个家庭和社区[25]。此外，人类可能通过接触或食用受污染的食品（如肉类、蛋类、牛奶和乳制品）而间接接触到耐抗生素细菌和耐药基因。最近，许多报道描述了大量来源于各种动物（如牲畜、家禽、猪、羊）、各种食品（即食肉类、煮熟的肉和散装牛奶）以及在食品生产中的各阶段的耐药性细菌和耐药基因的存在[18，26]。

有研究表明，动物之间的接触和人对食用动物对于mcr-1（能对终极抗生素——多黏菌素产生强耐药性的新基因）耐药基因的传播起关键作用[27]，其中人在食用了含耐药基因的动物食品后，有几率会从易感人群转化为耐药人群，然而这一因素很难进行人为控制。

2.2 耐药基因传播的驱动力

抗生素的使用是耐药基因传播的关键因素。抗生素作为治疗剂、预防性药物以及生长促进剂被广泛用于食品动物生产和水产养殖中，加剧了耐药菌和耐药基因的出现和传播[28]。抗生素耐药基因在食物链中传播的驱动力主要有3 个：1）抗生素广泛用于水产养殖、畜牧生产和作物栽培[29]；2）耐药菌和耐药基因易在食品生产链的各个阶段传播[30]；3）可能导致人类感染。抗生素在进入动物体后，很大一部分并没有转化为非活性化合物，在肾脏或胆道排泄后仍能保持其活性[31]。这些抗生素的活性部分、代谢物或降解产物通过动物粪便排出，使得农田土壤、粪便和废水被确定为耐药菌污染的热点，环境因此成为耐药菌的另一个重要“蓄水池”（图1）。

图1 耐药基因在食物链中的可能传播途径Fig.1 Possible routes of transmission of resistant genes in the food chain

人类的活动，动物的迁徙，环境的改变都可能导致新的耐药基因的产生。生态环境中的抗生素、消毒剂、金属离子[32]等选择压力的持续存在，使可移动耐药基因组不断增加，加速了耐药基因在菌种间的快速传播。在农场和屠宰场广泛使用的杀菌剂，包括消毒剂、防腐剂可能有助于抗生素耐药性的发展[1]。有研究表明，减少或者不使用抗生素，耐药致病菌和共生菌仍可在场所内和场所之间持续存在和传播。造成这种情况的原因复杂多样，可能包括：细菌之间的抗性遗传基因水平传播；细菌通过运动的物理转移（动物、工人和设备）；无效地清洁和消毒；其它选择性抵抗某些细菌的抗生素、重金属、农药[29]。由于基因的水平转移会进一步发生在粪肥、水和土壤中，导致微生物群落中含有不同水平的耐药菌和耐药基因[31，33]，因此环境污染可能会导致新的耐抗生素细菌和耐药基因在鱼类、贝类、蔬菜、饲料和水等食品中出现和传播，它们可能反过来感染动物和人类，进而增加了食物链中耐药基因的存在。

2.3 耐药基因在高校中传播的风险

近年来，我国人口流动性较大，人员交流频繁，高校作为大学生和教师学习和生活的主要场所，具有人数较多、接触密切、密度较大等特点。高校的食品安全卫生问题，关系到每一位教职工、学生的生命健康和正常的教学秩序[34]。

在上海某高校校区的抗性基因检测中发现，在试验区和食堂区检出的抗性基因相对较多[35]。食堂作为高校的一大主要就餐地点，一旦出现食品安全问题，可能会有较大面积的疾病爆发，这会严重影响到师生的健康以及学校的稳定。高校食堂的原料品种多、部分食材即食性强、工艺流程复杂[36]，对于食材中可能出现的耐药菌以及耐药基因的情况需要引起重视。食堂后勤部的职工较多，参与采购、制作、烹饪等岗位的职工属于食物链的密切接触者，存在直接或间接传播耐药菌和耐药基因的风险。

大学校园在寒、暑假期间具有大量的人口流动，且流动范围遍布全国各个地区，每位师生在假期可能会接触到耐药菌或耐药基因，成为耐药菌或耐药基因的感染者或携带者，校园的多人口、高流动特性大大增加了耐药基因传播的风险。

3 耐药传播风险管控

人类现代生产和生活方式驱动了耐药性的进化和流动，而人类对抗生素使用的盲目和监管的缺失进一步加速了耐药性在环境菌株、条件致病菌和致病菌中的产生和快速传播。目前严峻的形势凸显了在危机时期食品安全及对其进行风险管控的重要性。

3.1 加强市场监管

在预防耐药基因大流行时，对于市场管理需要引起足够的重视。市场对可持续发展和食品安全至关重要，其为全球数十亿人提供新鲜、经济的粮食。然而，复杂拥挤的市场也是传染源传播的重要场所。生鲜市场是ARGs 的储存库，ARGs 从食用动物传播给人类的风险很高[43]，世界卫生组织建议加强对生鲜市场的监管。同时，政府管理部门需要站在全球的高度认识细菌耐药，制定相关管理法规，实施耐药控制计划。当前的危机引发了人们对进一步探索兼顾监管确保安全的协作式短食品供应链的兴趣[27]。

3.2 提高对耐药性的认识

携带耐药基因的菌种在进化过程中发生了突变，最后可能形成一种新型的耐药基因，一般的抗生素无法治愈，一旦出现了耐药基因的广泛传播，会严重危害到人类的生命安全。加强抗生素使用、耐药菌、耐药基因传播和食品安全方面的宣传活动，对于应对沿着食物链传播耐药基因的相关安全问题至关重要。设计简单的关键信息，对目标人群和所有相关者（包括农场和屠宰场工人、食品处理人员、兽医、药剂师、食品生产行业、消费者等）进行安全意识宣传是必不可少的。通过大众媒体和社交媒体不断重复关键信息，加强安全意识，可能有助于有效减少抗生素消费和抗生素耐药性的产生[37]。农民、屠宰场工人、食品加工者和兽医并不是唯一受到食物链威胁的群体，所有的普通民众都应该参与并接受教育。大学生是信息传播关键一环，是信息互动的庞大载体，在食品安全宣传中，设计以大学生为主体的信息传播方式能够起到重要的作用。

3.3 联合多部门、多学科共同应对

粮农组织发布了《2016—2020年抗生素耐药性行动计划》，该计划旨在支持粮食和农业部门实施《全球抗生素耐药性行动计划》，以最大限度地减少抗生素耐药性的影响。快速了解耐药基因流行情况以及相关信息，对合理使用抗菌药物和遏制耐药细菌数量增长具有重大意义。建立能够抵御耐药基因流行的食品安全系统，需要包括决策者在内的整个食物链上的相关人员采取集体行动。要发展强化的、循环的食物链，可能需要在全球食品供应趋势和当地趋势之间建立一种精细的、互补的平衡。目前需要设立不同层次和领域的监测体系，对包括对抗菌药物在生产、流通、使用的各个阶段进行监测，各领域所获得的信息互相配合，共同应对耐药基因的传播。耐药基因沿着食物链传播，人类有很大几率会从中摄入耐药基因，其潜在危害无法预测，需引起社会各界的广泛重视。现有的数字技术和物理技术等，可能会在复杂的食物链运行和维护中发挥关键作用，以确保食品安全。面对这个公共安全卫生问题，只有多部门、多领域、多学科（涉及食品相关科学/工程、社会或计算机科学、以及商业、政策/法规）共同合作、协调努力才能有效解决这个问题。

3.4 控制食品中抗生素耐药性的新工具

脉冲场凝胶电泳（PFGE）迄今已被成功地用于评价菌株的遗传亲缘关系，并通过多位点序列分型（MLST）建立菌株的多样性，其结果在实验室之间具有可比性[38]。如今，新一代测序的出现，为监测食品和食品生产环境、检测引起疾病的抗生素耐药细菌病原体提供了新的可能性[39]。例如，全基因组测序（WGS）对食源性分离物的分型具有重要作用，并为监测在国家或全球范围内爆发的食源性疾病提供了解决方案[40]。WGS 还促进了细菌耐药体、病毒体和可移动体的快速分析。利用数学模型的方法研究耐药细菌在不同环境下的传播机制、控制方式和预防措施等，一直是耐药性传播研究的重要内容之一，在风险评估框架内应用WGS和预测微生物学，是深入了解耐药机制并有利于减少食物链中抗生素耐药性传播的关键[41]。研究者们基于所研究耐药细菌的传播机制，建立相应的数学模型，从理论上研究耐药细菌在流动环境下的传播情况[18]。

4 结语

抗生素的使用及人类现代生产生活方式驱动了“前体”或“隐身”耐药基因的进化以及耐药基因从环境菌株向病原菌株的转移，从而得到更多样、更丰富、流动性更强的耐药基因组。多重耐药菌的产生已经逐渐威胁着人类的生命安全，并成为深层次的环境污染，给医疗带来了新的挑战。快速了解耐药基因流行情况以及相关信息，对合理使用抗菌药物和遏制耐药细菌发展具有重大意义。目前人与动物以及一些生物物质的直接接触可能引起耐药菌在宿主之间的快速传播。耐药基因通过与各个渠道的密切接触进入到各个家庭、社区，人们也可能通过接触或食用食物链中受污染的食品感染到耐抗生素细菌和耐药基因。我国人口流动性较大，人员交流频繁，高校更是典型的疾病的易感染区，需要引起足够重视。需要设立不同层次和领域的监测体系，对包括在抗菌药物的生产、流通、使用的各个阶段进行监测，将各领域所获得的信息互相配合，共同应对耐药基因的传播。监测抗菌素耐药性是风险评估计划中的一个关键步骤，因为它是为全球战略提供信息、监测公共卫生干预措施的有效性以及发现与食品有关的新趋势和新出现的威胁的基础。