李金梅，李 曦，張舒婷

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110142；2.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門(mén) 361021）

抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）是能對(duì)抗生素產(chǎn)生抗性的基因［1］，是微生物，包括病原微生物，耐藥性形成和擴(kuò)散的物質(zhì)基礎(chǔ)，是一類(lèi)新型環(huán)境污染物［2］。它能在微生物包括病原微生物間傳播，還可從細(xì)菌、人類(lèi)散播源和動(dòng)物源等傳播擴(kuò)散到自然環(huán)境和飲用水系統(tǒng)中［3］。甚至ARGs能通過(guò)攜帶抗性基因的質(zhì)粒等可移動(dòng)遺傳元件進(jìn)入人體［4］，致使抗生素療效下降，細(xì)菌感染的治療更加棘手［5］。有報(bào)道世界上每年因抗結(jié)核桿菌受影響人數(shù)達(dá)50萬(wàn)［6］，歐盟每年約2.5萬(wàn)人死于感染多重抗性細(xì)菌，美國(guó)每年約6.3萬(wàn)人死于醫(yī)院獲得性細(xì)菌感染［7］。目前臨床上使用的所有抗生素幾乎都存在其抗性細(xì)菌（antibiotic resistance bacteria，ARB），甚至出現(xiàn)“超級(jí)細(xì)菌”，如“新德里.梅塔洛一號(hào)”（New Delhi-Metallo-1，NDM-1）［8］。因此，ARGs極可能引發(fā)公共健康危機(jī)。

環(huán)境中ARGs主要產(chǎn)生于醫(yī)療和畜牧業(yè)長(zhǎng)期濫用或誤用抗生素［1］，從而使水體、土壤、活性污泥等環(huán)境介質(zhì)成為ARB或ARGs的源和匯。目前，已有大量報(bào)道在水環(huán)境、土壤、沉積物中檢測(cè)到ARGs，甚至空氣中也檢測(cè)到ARGs［9］。這些ARGs可持久存在于環(huán)境中［10］，并且在攜帶ARGs的微生物死亡后，釋放到環(huán)境中的裸露DNA分子最終又可通過(guò)基因重組轉(zhuǎn)入其他微生物而使其具有抗性，給人類(lèi)和動(dòng)物安全帶來(lái)潛在威脅。水環(huán)境已成為ARGs散播的重要介質(zhì)，也是ARGs的重要貯存庫(kù)之一［11］。本文闡述了ARGs在水環(huán)境中的分布，總結(jié)了目前水處理工藝中消毒對(duì)ARGs的去除效果，并探討了消毒處理對(duì)其傳播擴(kuò)散的影響機(jī)制。

1 ARGs在水環(huán)境中的分布及傳播擴(kuò)散

ARGs和ARB已被證明在地表水、市政污水、污水處理廠出水以及飲用水中普遍存在，且種類(lèi)繁多，迄今已在各種水體中檢測(cè)出上百種ARGs［12-14］。例如在北美、歐洲、東亞和東南亞等地區(qū)的9個(gè)國(guó)家的飲用水、海水、地表水、醫(yī)療廢水、化糞池及污水處理廠檢測(cè)出大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)（如 aphA1、aphA2、aadA1）、磺胺類(lèi)（如 dfrA12、dfrA17、sulI）、βu 內(nèi)酰胺類(lèi)（如blaTEM-1、blaOXA-1、blaPSE-1）、四環(huán)素類(lèi)（如 tetA、tetH、tetJ、tetY、tetZ）、青霉素類(lèi)（如 mecA、penA）和大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)（如 ermA、mphA）等多達(dá) 50種 ARGs［15-17］（表1）。一般認(rèn)為水環(huán)境中的這些ARGs主要通過(guò)醫(yī)療和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水直接進(jìn)入地表水體，也可由糞便施肥使其先進(jìn)入到土壤環(huán)境，再隨雨水等地表徑流滲透到地下水中［18］。因此，ARGs在水環(huán)境中廣泛分布，特別是污水處理廠，由于含抗生素和ARB的廢水直接排入其中而富集大量ARGs，成為ARGs集聚和傳播的一個(gè)重要媒介。如Su等［19］從污水廠分離到的98.4%的菌株對(duì)檢測(cè)的抗生素具有抗性，90.6%的菌株至少對(duì)3種抗生素表現(xiàn)出抗性。水體環(huán)境中這些ARB和ARGs的存在不僅會(huì)威脅到飲用水安全，也可能影響到水資源的循環(huán)利用［20］。研究發(fā)現(xiàn)，用淡水和處理后廢水灌溉過(guò)的土壤均檢測(cè)出高水平的抗生素抗性［21］?？梢?jiàn)，水環(huán)境中ARGs普遍存在且可能對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境生態(tài)帶來(lái)影響。

表1 水環(huán)境中的ARGsTab.1 ARGs in Water Environment

ARGs主要通過(guò)垂直基因轉(zhuǎn)移（vertical gene transfer，VGT）和水平基因轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer，HGT）兩種方式進(jìn)行傳播擴(kuò)散。垂直基因轉(zhuǎn)移是依靠微生物親代之間的分裂生殖進(jìn)行；水平基因轉(zhuǎn)移則是ARGs通過(guò)接合 （conjugation）、轉(zhuǎn)化（transformation）、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）、轉(zhuǎn)座以及細(xì)菌溶源性基因轉(zhuǎn)移等過(guò)程發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而使另一菌株獲得抗性的過(guò)程［29］，它是水體環(huán)境中ARGs轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的重要方式。早在20世紀(jì)40年代就有微生物水平基因轉(zhuǎn)移的描述［30］，并提出HGT的發(fā)生是由選擇性壓力和生物進(jìn)化產(chǎn)生的一種普遍現(xiàn)象。如有研究發(fā)現(xiàn)攜帶四環(huán)素類(lèi)抗性基因的質(zhì)粒在大腸埃希氏菌（Escherichia coli）和氣單胞菌（Aeromonas spp.）之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移［31］，另外，還觀察到耐萬(wàn)古霉素腸球菌（vancomycin-resistant Enterococcus，VRE）與耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）間抗性基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象［32］。其中，HGT對(duì)ARGs通過(guò)水傳微生物進(jìn)行傳播擴(kuò)散起到重要作用。正是由于水平基因轉(zhuǎn)移的存在致使ARGs不僅可以在水體環(huán)境中從親代傳遞給子代，還可以在同種屬或不同種屬微生物間進(jìn)行基因傳遞。甚至在細(xì)菌、真菌、病毒和真核生物基因組均觀察到基因的水平轉(zhuǎn)移［33］。因此，水體環(huán)境中ARGs的存在及其通過(guò)水傳微生物的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散給人體健康和水的生物安全帶來(lái)隱患［34］。

ARGs作為新型的環(huán)境污染物在水環(huán)境中可通過(guò)水傳微生物進(jìn)行散播。研究發(fā)現(xiàn)，在水處理過(guò)程中水傳微生物攜帶ARGs不僅會(huì)使水體中ARGs的濃度增加［35］，還可能進(jìn)入到水源水和給水系統(tǒng)。Zhang等［15］已在飲用水系統(tǒng)中廣泛檢測(cè)到ARB和ARGs，也有報(bào)道在大型給水廠中檢測(cè)到9個(gè)種或?qū)俚?ARGs且出現(xiàn)較高豐度［36］。而參與城市水循環(huán)的地表水更是擴(kuò)散致病微生物和ARGs的重要載體之一［37］。因此，如何有效去除和控制水環(huán)境中的ARGs需要重點(diǎn)關(guān)注。而消毒是殺滅水中對(duì)人體健康有害的致病微生物的重要方式，可防止通過(guò)飲用水傳播疾病，也是生活飲用水安全、衛(wèi)生的最后保障。特別是氯消毒因其具有經(jīng)濟(jì)和高效的特性，因而被廣泛應(yīng)用于廢水和飲用水消毒［38］。

2 消毒對(duì)ARGs和（或）ARB豐度的影響

消毒通?？梢越档统鏊械募?xì)菌總量，從而對(duì)ARGs的削減起到一定作用。但對(duì)ARGs的去除效果還會(huì)受消毒方式等的影響。目前，國(guó)內(nèi)外使用的消毒方法包括化學(xué)消毒法（如鹵素消毒劑、臭氧和過(guò)氧乙酸等）、物理消毒法（如膜過(guò)濾截留微生物）和光化學(xué)消毒法（如紫外線(xiàn)）以及電化學(xué)消毒法。廣泛應(yīng)用的主要有氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧殺菌和紫外線(xiàn)照射及氧化消毒等［38］，盡管這些消毒方法一般都能在水處理過(guò)程中去除部分ARB或ARGs，但在污水處理廠的出水中它們的檢出率仍然較高，且相對(duì)總量和種類(lèi)在出水中變化不大（表2）［19］，甚至出現(xiàn)ARGs相對(duì)豐度升高現(xiàn)象。例如氧化和UV消毒對(duì)ARGs的去除幾乎沒(méi)有效果，對(duì)少數(shù)ARGs去除率能達(dá)到1～2個(gè)數(shù)量級(jí)［39］，但氯消毒對(duì)ARGs的去除可以達(dá)到2～3個(gè)數(shù)量級(jí)［40］，而消化處理、人工濕地及其他非消毒處理對(duì)ARGs的去除最多達(dá)到1 個(gè)數(shù)量級(jí)［41］。

由于ARGs的去除率不僅受消毒方法的影響，還會(huì)受到細(xì)菌攜帶抗性類(lèi)型、消毒劑量和多種消毒方法結(jié)合使用等多種因素影響，因此很難明顯降低或徹底清除ARGs污染。如Xu等用高通量定量PCR檢測(cè)不同水處理工藝的給水廠出水時(shí)發(fā)現(xiàn)兩給水處理廠經(jīng)消毒處理的出水中ARGs的相對(duì)豐度都提高了。因?yàn)橐话愕慕o水廠或污水廠處理過(guò)程基本沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)去除ARGs而設(shè)計(jì)的工藝［42］，且水體中ARGs的含量還可能受補(bǔ)給、水量、季節(jié)變化、用途及流經(jīng)地區(qū)等因素影響［43］，因此物理法、化學(xué)法和生物法對(duì)ARGs的去除效果并不明顯［44］。由于目前消毒工藝對(duì)ARB和ARGs的控制效應(yīng)數(shù)據(jù)也還較少，所以難以提出較有效的方法和途徑來(lái)遏制ARGs的散播。

表2 不同處理方法對(duì)ARB、ARGs的去除效果Tab.2 ARB and ARGs Removal Efficiency by Different Treatment Processes

續(xù) 表

消毒對(duì)ARB或ARGs的影響主要通過(guò)直接和間接兩方面起作用。直接作用表現(xiàn)為對(duì)ARB的致死或失活作用，即直接殺死細(xì)菌或抑制抗性基因的表達(dá)［45］。間接作用是消毒添加的消毒劑及其產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物（disinfection by-products，DBPs）能促進(jìn)ARB或ARGs的產(chǎn)生［57］。有報(bào)道ARB在氯消毒的水中檢出頻率更高，因此，氯消毒中使用的消毒劑或消毒劑與水體中腐植酸和富里酸反應(yīng)后生成的DBPs對(duì)其中的細(xì)菌極可能產(chǎn)生選擇性壓力和共選擇作用，從而影響ARGs的去除效率［52］。

處于消毒環(huán)境中的選擇性壓力下一些細(xì)菌會(huì)表現(xiàn)出更高的水平基因轉(zhuǎn)移率和突變率，使其獲得抗生素抗性更加迅速［58］。如 Ma等［59］發(fā)現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)不同抗生素選擇壓力時(shí)，細(xì)菌能“感知”抗生素并決定是產(chǎn)生抗性還是傳播抗性，Obolski等研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)菌處于壓力條件下會(huì)出現(xiàn)更高的水平轉(zhuǎn)移和突變率，當(dāng)壓力明顯對(duì)基因變異產(chǎn)生影響時(shí)，抗生素抗性的出現(xiàn)也會(huì)受影響，并且可能促進(jìn)多重抗性細(xì)菌的出現(xiàn)［60］。另外，共選擇機(jī)制也能影響水環(huán)境中ARGs的發(fā)展。一般認(rèn)為共選擇是指環(huán)境中除抗生素以外的其他因素（如金屬、消毒劑、DBPs和一些微污染物等）對(duì)ARB和它們相關(guān)的基因形成選擇性壓力［60］，從而導(dǎo)致細(xì)菌對(duì)抗生素和其他因素的抗性同時(shí)增加，即所謂的共選擇［61］。可見(jiàn)，氯消毒中產(chǎn)生的選擇性壓力和共選擇對(duì)ARGs的增加起到一定作用。

3 消毒對(duì)ARGs水平轉(zhuǎn)移的影響機(jī)制

消毒可對(duì)細(xì)菌的接合效率產(chǎn)生作用而影響到ARGs水平轉(zhuǎn)移。如Guo等［62］發(fā)現(xiàn)低UV劑量（達(dá)到8 mJ／cm2）能對(duì)接合轉(zhuǎn)移頻率產(chǎn)生影響，但影響很小，而低氯消毒劑量（達(dá)到 40 mg Cl min／L）能明顯提高接合轉(zhuǎn)移的頻率2～5倍，同時(shí)發(fā)現(xiàn)高劑量的UV（＞10 mJ／cm2）或氯消毒（＞80 mg Cl min／L）下ARGs轉(zhuǎn)移的頻率均相對(duì)降低。Lin等［63］也對(duì)UV和氯處理對(duì)ARGs的轉(zhuǎn)移率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)UV和低水平氯消毒處理都能降低接合效率。表現(xiàn)為當(dāng)UV 劑量（5～20 mJ／cm2）逐漸增加時(shí)，轉(zhuǎn)移率逐漸降低，而氯消毒處理時(shí)，轉(zhuǎn)移率沒(méi)有變化（氯劑量為0.05～0.2 mg／L）或轉(zhuǎn)移率較低甚至低于檢出限（氯劑量為0.3～0.5 mg／L）。可見(jiàn)，UV和氯劑量較低對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移幾乎沒(méi)有影響，當(dāng)UV劑量在10～20 mJ／cm2，隨著劑量的增加能使 ARGs的轉(zhuǎn)移率逐漸降低。

消毒對(duì)ARGs水平轉(zhuǎn)移影響的具體機(jī)制有：一是通過(guò)降低供體細(xì)菌的存活率，從而降低接合轉(zhuǎn)移率；二是使細(xì)胞滲透性發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)氯消毒產(chǎn)生的氯胺能刺激細(xì)菌改變細(xì)胞滲透性，使接合細(xì)胞的表面出現(xiàn)更多的菌毛，提高ARGs的接合轉(zhuǎn)移率，從而促進(jìn) ARGs的水平基因轉(zhuǎn)移［62］；三是抑制相關(guān)轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)。如較低余氯（0.05～0.2 mg／L）可能對(duì)鞭毛基因（flagellar gene，flgC）、膜外蛋白基因（an outer membrane porin gene，ompF）和DNA轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因（a DNA transport-related gene，traG）的表達(dá)產(chǎn)生抑制，從而降低水平基因轉(zhuǎn)移率［63］；四是通過(guò)集聚不同質(zhì)粒、插入序列和整合子，提高ARGs水平基因轉(zhuǎn)移的發(fā)生。如Shi等［14］在給水廠發(fā)現(xiàn)ampC、aphA2、blaTEM-1、tetA、tetG、ermA和ermB基因氯消毒后發(fā)生了富集，并通過(guò)宏基因組分析認(rèn)為飲用水氯化處理確實(shí)能富集多種ARGs，同時(shí)質(zhì)粒、插入序列和整合子等與ARGs的水平轉(zhuǎn)移相關(guān)的可移動(dòng)遺傳元件也會(huì)發(fā)生集聚?？梢?jiàn)，消毒處理時(shí)消毒劑的類(lèi)型及劑量對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移能起到促進(jìn)作用也可能產(chǎn)生抑制，同時(shí)，消毒時(shí)間也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響［14］。并且，消毒處理對(duì)ARGs和可移動(dòng)遺傳元件的富集作用也能進(jìn)一步促進(jìn)ARGs的水平基因轉(zhuǎn)移。

4 總結(jié)與展望

研究發(fā)現(xiàn)，ARGs污染通過(guò)HGT進(jìn)行傳播擴(kuò)散對(duì)我們?nèi)祟?lèi)和動(dòng)物的影響甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)抗生素殘留本身產(chǎn)生的影響。因?yàn)榛蛭廴静煌谝话悱h(huán)境污染物，其具有遺傳性且一旦散播到環(huán)境中難以控制和消除，對(duì)人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境的影響將是長(zhǎng)期的和不可逆的［64］。因此，如何有效預(yù)防和降低其轉(zhuǎn)移擴(kuò)散帶來(lái)的環(huán)境影響是一項(xiàng)重要課題。本文分析了水環(huán)境中ARGs的廣泛分布，指出水體已成為ARGs匯聚和擴(kuò)散的重要介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)消毒在水處理中對(duì)ARGs的去除能起到一定作用，但效果不明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)消毒處理后ARGs相對(duì)豐度升高現(xiàn)象［65］，即消毒能降低ARGs的絕對(duì)量，但相對(duì)豐度會(huì)增加。認(rèn)為消毒能通過(guò)影響細(xì)菌的接合效率，使細(xì)胞滲透性發(fā)生變化，抑制相關(guān)轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)，對(duì)ARGs和可移動(dòng)遺傳元件的富集，從而對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移產(chǎn)生作用。表現(xiàn)為UV劑量低于20 mJ／cm2時(shí)，對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移影響較小，甚至降低水平基因轉(zhuǎn)移率；而氯消毒劑量達(dá)到40～80 mg Cl min／L時(shí)，能對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移起到促進(jìn)作用。

目前，針對(duì)水環(huán)境中ARGs的去除，較多已有的研究只是檢測(cè)水環(huán)境中消毒后ARB或ARGs的豐度變化，很少報(bào)道消毒對(duì)水環(huán)境中ARGs去除影響的具體機(jī)制。雖然也有關(guān)于多種消毒方法對(duì)ARGs去除的對(duì)比及機(jī)制探討［45］，但還是難以很好地揭示水中較高的ARB或ARGs比例，特別是在實(shí)際消毒過(guò)程中消毒及其副產(chǎn)物對(duì)ARGs的作用規(guī)律仍需進(jìn)一步探究。另外，對(duì)于不同環(huán)境介質(zhì)中ARB、ARGs及可移動(dòng)遺傳元件的檢測(cè)與表征大體包括傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)法和分子生物學(xué)方法，但相關(guān)采樣、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果表達(dá)等需要進(jìn)一步建立和完善，使其更加標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化，也方便在不同方法和實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)所得研究結(jié)果進(jìn)行比較。

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