垃圾填埋场抗性基因污染研究进展

姚丽华 陈丽君 俞栋

摘要：垃圾填埋场是城市固体废物（Municipal solid waste， MSW）最终的处理处置场所，同时也是抗生素和抗性基因（Antibiotics resistance genes， ARGs）重要的汇与源。抗生素、重金属、消毒剂等污染物诱导耐药菌和ARGs的产生。为了更好地了解垃圾填埋场中ARGs污染程度和潜在风险，本文总结了垃圾填埋场中ARGs来源、丰度、影响因素等方面的研究，并对未来的研究方向提出了展望。

关键词：垃圾填埋场;抗生素;抗性基因;环境污染

引言

抗生素是人类在20世纪最重要的发现之一，在医学领域常用于治疗或预防细菌感染，在现代农业和畜牧业的发展中也起着重要作用。抗生素耐药性是一种全球性的健康危机，与人类和动物对抗生素的使用量增加有关。中国作为世界上最大的抗生素生产和消费国之一，据估计，抗生素每年消耗约54000吨[1]。由于人类或动物在使用抗生素的过程中吸收效果较差，因此高达70%-90%的抗生素以原始药物形式释放到环境中，导致了严重的环境污染问题。

环境中抗生素的存在诱导ARGs的形成。2006年，Pruden[2]等首次提出将抗性基因作为一种新型环境污染物。如今越来越多的证据表明，ARGs存在于沉积物、河流、污水、垃圾填埋场渗滤液等各种环境中。近年来，随着生活水平的提高，一些医疗保健药品和个人护理用品频繁使用，过期或丢弃的药品随生活垃圾进入垃圾填埋场中，使填埋场成为潜在的抗性基因的重要储存库。

1垃圾填埋场抗性基因的来源

垃圾填埋场抗性基因的两个主要来源分别为内在抗性和外源输入。

微生物的内在抗性是ARGs的重要来源。内在抗性是指细菌基因组中存在可能产生抗性的基因表型并且是一直不表达的基因，细菌可以通过随机突变或表达潜在的抗性基因从而获得抗性。

外源输入是指环境中的耐药菌中的抗性基因的输入，抗性细菌是通过人或动物粪便随着肠道排出体外的细菌，这是环境中ARGs的重要来源之一。垃圾填埋场ARGs一方面来自于生活垃圾的输入，另一方面是人类或动物粪便经城市污水管网进入污水处理厂，产生的活性污泥运往垃圾填埋场进行填埋处置，使得大量的耐药菌和抗性基因进入填埋场。

2.垃圾填埋场中抗性基因丰度

生活垃圾、活性污泥、粪便以及非法医疗废物中的抗生素可能进入垃圾填埋场，这些持续存在的抗生素通过对微生物施加选择压力导致ARGs的产生和传播，因此垃圾填埋场成为ARGs的重要储存库。而ARGs的污染问题对环境风险和人类健康带来了严峻的挑战。

全球每年约有3.5亿吨固体废物进入垃圾填埋场，数百万立方米的垃圾渗滤液释放到邻近的环境中，在垃圾渗滤液中同样也存在着高丰度的抗生素抗性基因。尤[3]等对我国七个大型垃圾填埋场渗滤液中氟喹诺酮类和β-内酰胺类抗性基因进行调查，发现在苏州填埋场的垃圾渗滤液中ARGs的丰度最高，ARGs/16s rDNA为（1.44±4.64）×10-4。

武[4]等研究了上海老港垃圾填埋场中ARGs的分布情况，在渗滤液中抗性基因丰度随着垃圾填埋龄的增加而增加，其中抗性基因sul1、aadA1和blaCTX-M是主要的目标基因。而在先前的研究报道中，根据ARGs和垃圾填埋场类型的不同，检测到的ARGs的丰度有明显的不同。磺胺类抗性基因（sul1和sul2）通常比其他ARGs更丰富。以上研究表明，垃圾填埋场中存在高丰度的ARGs。

3.垃圾填埋场抗性基因的影响因素

垃圾填埋场ARGs的变化和传播可以通过各种驱动因素来确定，如抗生素、填埋龄、重金属、微生物等，这些因素影响着垃圾填埋场中抗性基因的分布。

3.1抗生素对抗性基因的影响

抗生素的存在可能诱导ARGs的产生。有研究表明ARGs与其抗生素的使用之间存在相关性，且抗性强度与抗生素含量有关。前期有研究报道ARGs中除sul2外，ARGs与同族抗生素相关性均较弱，而与非同族抗生素浓度相关性则较为普遍，这可能主要与环境中抗生素药物对ARGs丰度的共选择有关。在自然环境下，抗生素可以通过多种途径迅速降解，如吸附、光降解和生物降解等。因此它们对ARGs的影响可能是短暂的，ARGs产生后可能并不依存于抗生素。

3.2重金属对抗性基因的影响

环境中残留的重金属可能对抗性基因施加选择压力，从而影响抗性基因的分布与传播。在以前的研究中，重金属被认为是影响ARGs最重要的因素，因为在环境中它比其他药剂施加更大的抗性选择压力;并证明金属抗性与AMR具有密切的联系。武[4]等研究报道了垃圾渗滤液中金属与目标ARGs的关系更密切，在垃圾渗滤液中目标ARGs的分布与重金属铬、镉、镍和砷的水平具有显著相关性。

3.3微生物对抗性基因的影响

在堆肥和土地等固体废物处理系统中，微生物群落已被报道为决定目标ARGs的关键因素。有研究证实，细菌群落组成主要影响垃圾中的ARGs，而MGEs进行的HGT和重金属的存在对于渗滤液中的ARGs更为重要。zhao[5]等通过宏基因组学的方法研究了垃圾渗滤液中ARGs与微生物群落组成的相关性，发现渗滤液ARGs的组成与微生物群落显著相关。以往有研究报道微生物改变是影响ARGs变化的主要因素，其影响达到65.8%;武[4]等也报道了ARGs的命运可能依赖于细菌宿主类型。以上研究均表明，垃圾填埋场中微生物也影响着抗性基因的分布与传播。

4展望

在减少抗生素进入垃圾填埋场的同时，今后的工作需要对以下几个方面展开研究：

（1）探索垃圾填埋场这种复杂的环境体系中抗生素与抗性基因分布、命运、生态风险、迁移与转化機理，建立抗生素抗性基因生态风险的评估体系。

（2）随着HT-qPCR技术的发展，已有几百种ARGs被相继报道，利用宏基因组学方法探索新型的抗性基因，深入探究这些目的基因的抗性机制以及传播机理，同时对环境威胁和人类健康作出风险评估。

参考文献：

[1]姚丽华.浙江省城市生活垃圾填埋场抗生素抗性基因污染研究[D].浙江工商大学，2020.

[2]Pruden A， Pei R， Storteboom H， et al. Antibiotic resistance genes as emerging contaminants： studies in northern Colorado.[J]. Environmental Science & Technology， 2006， 40（23）：7445.

[3]尤新新.国内城市垃圾填埋场中抗生素残留与抗性基因的地域特征及理化指标关系研究[D].华东师范大学，2018.

[4]武冬.城市固体废弃物卫生填埋处理体系中抗生素抗性基因传播机理与控制研究[D].华东师范大学，2018.

[5] Zhao R， Feng J， Yin X， et al. Antibiotic resistome in landfill leachate from different cities of China deciphered by metagenomic analysis.[J]. Water Research， 2018， 134：126-139.

作者信息

第一作者：姚丽华（1992.10），男，安徽安庆，汉，硕士研究生，助理工程师，研究方向：土壤修复

第二作者：陈丽君（1993.8），女，安徽安庆，汉，本科，初级护理师，研究方向：医学护理

第三作者：俞栋（1989.9），男，浙江绍兴，汉，本科，中级工程师，研究方向：土壤修复