水环境中抗生素抗性基因的分布·转移与去除研究进展

崔红 张娣 徐文煦 程玉鹏 车琦 王继华

摘要 抗生素抗性基因具有可复制、可传播并能稳定表达的特点，其在不同的水环境中广泛分布，对生态环境及人体健康具有潜在风险。对水体环境中ARGs的分布、转移与去除情况进行了综述。在此基础上，从ARGs的转移机制和去除工艺的改良方面进行了展望。

关键词 水体环境;抗生素抗性基因;分布;转移;去除

中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）01-0023-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.006

Abstract Antibiotic resistance genes have the characteristics of replication， transmission and stable expression and are widely distributed in different water environments， which have potential risks to ecological environment and human health. This paper reviewed the distribution， transfer and removal of ARGs in water environment. On this basis， the prospects of transfer mechanism of ARGs and the improvement of the removal process were discussed.

Key words Water environment;Antibiotic resistance gene;Distribution;Transfer;Removal

抗生素是一类由生物体产生或人工合成的具有抑菌或杀菌作用的化学物质[1]，被广泛用于治疗人类和动物疾病，或添加于动物饲料中以促进生长。我国是抗生素生产大国，每年生产抗生素原料约21万t[2]。但抗生素的实际利用率并不高，进入人和动物体内的抗生素只有少量被吸收利用，Zhang等[3]的调查显示2013年我国常见的36种抗生素总使用量为9.27万t，通过人类和动物排泄的抗生素有5.40万t，最终经过各种废水处理后有5.38万t进入到环境中。目前，在地表水、地下水甚至在饮用水系统中都发现了抗生素的存在，地表水中浓度为几个至1 000余ng/L，地下水为几十至几百ng/L[4-5]，在饮用水中也检测到痕量的抗生素。当细菌生活的环境中有低浓度抗生素长期存在时，细菌会形成耐药性，成为抗生素耐药菌（antibiotic resistant bacteria，ARB），同时导致抗性基因（antibiotic resistant genes，ARGs）的出现。目前在医院[6]、饲养场[7]、药厂[8]和污水处理厂[9]等排放的废液中均检测到ARGs的存在。有研究表明[10]，ARGs可以通过Ⅰ型整合子等可移动基因元件的作用进行转移，对环境造成污染。因此，研究ARGs在水环境中的分布情况、转移方式及不同去除工艺的去除效果，进而探究能有效治理不同水体环境中ARGs污染的方法，对于改善我国水体环境、保证人体健康、提高人们生活水平具有重要意义。

1 ARGs的分布情况与影响因素

由表1可知，ARGs在水环境中广泛分布并且不同的ARGs在水环境中的浓度存在一定差异。房平等[11]对东江下游典型饮用水源地ARGs的分布进行研究时发现，磺胺类ARGs的丰度较高。姜春霞等[16]也发现磺胺类ARGs无论是在海水样品还是沉积物中，其含量都是最高的。磺胺类抗生素是我国目前使用量较大的抗生素种类之一，磺胺类ARGs在环境中占据主导地位可能与这类抗生素的大量使用有关，邹世春等[17]在调查北江河水中ARGs污染情况的研究证明了这一观点。此外，sul1和sul2的高水平表达也可能与这2种基因所寄生的宿主菌对不同环境都具有很强的耐受能力有关，使这类ARGs在水环境中稳定存在。罗晓等[18]的研究也表明ARGs的分布与特定的微生物有关，其中Methylotenera菌属是影响tetA分布丰度的主要因素，Dechloromonas和Clostridium sensustricto 1 菌属是影响tetB分布丰度的主要因素，sul1、sul2分布的丰度则与Dechloromonas、Clostridium sensustricto 1 和Methylotenera菌属有关。

ARGs的分布不仅与微生物有关，还受到其他因素的影响。孙丽华等[19]在探究ARGs与Ⅰ型整合子浓度之间的相关性时发现，tetA浓度与Ⅰ型整合子整合酶基因（intI1）浓度相关性最强，sul2浓度与intI1的相关性最弱。因此，Ⅰ型整合子可能影响ARGs在水环境中的浓度;同时还发现tetA、tetW、sul1和sul2的浓度与16S rDNA的浓度相关，并且磺胺类抗性基因浓度与16S rDNA浓度的相关性更密切。姚鹏城等[20]的研究表明某化工园区废水处理厂的进水中编码外排泵蛋白抗性机制的四环素类ARGs（tetA和tetC）的濃度要比编码核糖体保护蛋白抗性机制的四环素类ARGs（tetO）高很多，说明ARGs在环境中的浓度与其抗性机制有关。张毓森等[21]关于农田生态ARGs的研究表明，农田生态会影响地表径流中的ARGs丰度。有研究表明，位于人类活动密集的高密度建筑区内的南湖和沙湖中ARGs的检出率及丰度水平都较高，这可能是由周边多种污染源和人为因素造成的[22]。罗晓等[18]的研究也表明人类活动以及城市活动会影响抗性基因的分布和传播。已知的影响ARGs在水环境中分布的外部因素有很多，但目前的研究主要集中在探究ARGs与微生物、intI1及环境因子相关性的方面，探究其影响机理的文献较少。而研究不同影响因素对ARGs的作用机理更有利于控制其在环境中的分布。

2 ARGs的转移方式

一般而言，ARGs在环境中的转移除了直接从亲本细胞中获得遗传信息，在同种属的菌株间进行基因的垂直传播外，还可通过接合、转化及转导的方式进行不同种属和同种属菌种间基因的水平转移[23]。接合转移是通过细胞间的接触，从供体细胞将DNA传递给受体细胞;转导需要将ARGs导入到微生物的细胞中，这个过程需要噬菌体的参与;转化是利用处于感受态的微生物吸收周围环境中游离的DNA。最新研究发现[24]，在北极冰川的可培养细菌基因组中有抗性基因和整合子的存在。这为抗生素抗性基因的迁移提供了新的证据。Rhodes 等[25]发现含四环素类ARGs的质粒 DNA 可以在大肠杆菌和气单胞菌属之间进行转移扩散。罗碧珊等[26]发现万古霉素肠球菌的抗性基因能向金黄色葡萄球菌转移。在ARGs水平转移的过程中，可移动基因元件（MGEs）发挥很大的作用，例如转座子基因、接合性质粒和整合子基因。王卫华等[27]对医院耐药大肠埃希菌（MDR-ECO）中的可遗传基因元件进行检测，共检测出10种可移动遗传元件，且同一菌株中可能含有多种不同的MGEs。多重耐药表型与转座子、整合子类型存在相关性，林习等[28]的研究证明了这一观点。吴韵斐等[29]研究了水源型水库中不同种类的ARGs与可移动基因元件之间的相关性，发现氨基糖苷类ARGs、多重抗药类ARGs、磺胺类ARGs与MGEs之间存在极显著相关性（P<0.01），氯霉素类ARGs、大环内酯类ARGs、四环素类ARGs与MGEs存在显著相关性（P<0.05），总ARGs丰度与MGEs也存在极显著相关性（P<0.01）。黄福义等[30]对生活垃圾渗滤液中的抗生素抗性基因进行研究，发现其不仅与转座子和整合子等有关，还与Cr、Cd、Ni、As等重金属呈现极显著正相关，说明抗生素抗性基因的赋存和转移传播可能受重金属元素和MGEs的共同影响。目前已知的基因元件有质粒、转座子和I类整合子，是否还有新型的基因元件还有待研究。探究ARGs与基因元件的作用位点以及如何抑制携带ARGs的基因元件进入微生物体内对抑制其表达和传播具有重要意义。

3 ARGs的去除工艺

关于去除工艺的研究目前主要集中在对污水中ARGs的去除。Mcconnell等[31]发现污水处理厂的二级澄清池能使废水中的ARGs浓度显著降低。目前主要采用生物处理、物理或化学处理等方法对ARGs进行去除。不同的去除手段对ARGs的去除效果存在差异。

生物处理是利用微生物的代谢反应对废水进行处理，分为好氧和厌氧处理。最常见的好氧处理方法有A/O（厌氧-好氧）工艺、A/A/O（厌氧-缺氧-好氧）工艺等。上海某污水处理厂[32]中ARGs含量经过A/O工艺显著降低（1.19 log～3.97 log），但在最终的出水中浓度仍较高。张欢欢等[33]研究也表明，升级A/O工艺并不能有效削减ARGs，出水中ARGs的相对丰度提高1.3～2.3 logs。这可能是由于工艺实施过程中一些生物或非生物因素对ARGs的去除造成了干扰。厌氧生物处理技术主要用于有机物的大量去除及稳定污水污泥。Diehl等[34]的研究发现，嗜热条件能使四环素类ARGs（tetA、tetX）的丰度迅速降低，但却使tetM基因的丰度有所增加，而tetL则无论是在嗜热环境还是嗜温环境中都不能被去除，这可能是由于这些基因编码类型不同造成的，其具体机制还有待研究。

物理或化学处理法则通过超滤等物理方法或一系列化学反应将废水中污染物去除，或转化其性质以避免其对环境造成危害。化学处理方法也有很多种，例如有学者[35]发现臭氧的氧化能有效地减少活性污泥中ARGs的绝对丰度，当臭氧消耗量达0.31 g/g（TSS）时，ARGs的总量下降了75.4%。刘亚兰等[36]研究表明，污水处理厂的消毒工艺对抗生素抗性菌具有一定的去除效果。但Jin等[37]发现氯消毒处理可以促进抗药性基因在细菌属间的交换。黄晶晶等[38]的研究表明，经紫外线消毒剂处理后灭活的抗生素抗性菌具有复活的潜能。可见消毒工艺不能完全消除抗生素抗性菌和抗性基因。魏欣等[39]发现适量Fe0（如0.1 g/g，以Fe0/VSS计）能使四环素类ARGs和intI1基因的消减效果增强。目标基因丰度下降2.0～4.3个数量级，可能是携带四环素ARGs的抗性菌受到Fe0的影响而逐渐消亡，四环素ARGs丰度则随着微生物DNA被降解而降低。张启伟等[40]利用混凝沉淀-超滤组合工艺对4种ARGs（sul1、sul2和tetA、tetG）进行去除，发现去除率达0.5～3.1个数量级。这种组合工艺对4种ARGs的去除率比单独UF高2～3个数量级。由此可见，研究如何将两种甚至是几种传统工艺进行拼接组合形成更高效的新工艺是很有必要的。

此外，Liu等[41]用不同类型的湿地对养猪场废水中的抗性基因去除进行了研究，发现湿地对抗性基因有一定的去除作用。Fang等[42]研究表明芦苇是降低ARGs污染的重要水生植物种类。随着对ARGs进行深入研究，发现微生物甚至是植物都对ARGs的去除有一定的效果。这为探究更有效地去除ARGs的方法提供了思路。

4 展望

ARGs在不同的水体环境中均有分布且受微生物群落、抗性机制、人类活动等的影响。目前的研究还处于描述性阶段，不同因素对ARGs分布的影響机制还有待研究。

ARGs转移主要采取水平基因转移的方式，需要借助移动基因元件。目前研究最多的是Ⅰ类整合子，是否有其他整合子以及具体的机制还有待研究。

ARGs的去除工艺主要集中在对污水处理厂中废水的处理且存在不能完全消除的问题。近年来，河流湖泊和生活用水中也有ARGs的存在。不同水体环境中ARGs该如何去除，植物、微生物在ARGs去除中的作用及组合工艺的应用等都有待研究。

ARGs具有迁移性，除了在不同水环境中广泛分布外，在禽畜养殖场的土壤及空气中也有ARB和ARGs的存在。因此，加強国际合作，研究不同生境下ARB和ARGs的分布及污染情况，为其风险评估和治理提供理论和数据基础。

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