《Environmental Technology & Innovation》：Spatial Distribution, Source Identification, and Environmental Risk of Antibiotic Resistance Genes in the Lower Reaches of the Yangtze River
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本研究聚焦长江下游抗生素抗性基因(ARGs)的污染现状，为解决其对公共健康和饮用水安全的潜在威胁，研究人员通过系统采样与宏基因组学分析，揭示了ARGs的时空分布规律、主要宿主微生物及环境风险驱动因素，确认了水产养殖与畜牧业是ARGs变异的主要人为来源，相关成果为长江流域ARGs污染的监测与控制策略制定提供了关键数据支撑。
在现代医学与农牧业的快速发展中，抗生素的广泛应用带来了一个棘手的“后遗症”——抗生素抗性。环境中残留的抗生素持续对微生物施加选择压力，不仅催生了耐药的“超级细菌”，更促进了抗生素抗性基因(ARGs)的产生与传播。这些看不见的基因“污染”如同潜藏的定时炸弹，一旦通过水、土壤等环境介质进入生态系统，将严重威胁公共健康安全。长江作为中国的母亲河，其下游三角洲地区经济发达、人口密集，不仅是重要的饮用水源地，也承受着来自农业、工业和生活的巨大环境压力。此前虽有研究关注河流中的ARGs，但对于其在长江下游整个河段系统的空间变化、环境风险及具体来源，尚缺乏系统性的调查。为了填补这一知识空白，并为该区域的饮用水保护与公共卫生安全提供科学依据，一项针对长江下游ARGs的全面研究应运而生。
为了探究上述问题，研究团队于2022年9月在长江下游的马鞍山至上海河段，系统采集了8个河水样本(R1-R8)以及来自铜陵、南京、常州和常熟的4个工业污水排放口样本(S1-S4)。他们运用宏基因组测序技术，对样本中的总DNA进行了深度分析。关键技术方法包括：使用CARD数据库进行ARGs的鉴定与注释；通过基因组分箱技术构建宏基因组组装基因组，以识别ARGs的潜在宿主；利用整合的MGEs注释数据库分析移动遗传元件；基于人类致病菌数据库进行病原体注释；并采用总抗性组风险模型对ARGs的环境风险进行量化评估。这些方法的综合运用，使得研究能够从基因丰度、微生物宿主、传播机制到环境风险，对ARGs污染进行全面解析。
3.1. 广泛存在的ARGs污染，以外排泵机制主导并由人为活动驱动
研究人员在样本中共检测到21大类、891个亚型的ARGs，表明ARGs在长江下游广泛存在。其中，多药耐药基因最为丰富，其次是β-内酰胺、大环内酯-林可酰胺-链阳霉素B(MLS)和四环素类抗性基因。最主要的耐药机制是抗生素外排泵，占所有耐药机制的62.27%至64.69%。ARGs的总丰度从中游向下游呈先升高后降低的趋势，中游地区最高，下游河口地区最低。冗余分析表明，畜牧业和水产养殖活动是导致ARGs丰度变异的最重要人为驱动因素。
3.2. 微生物群落变化及ARGs宿主分析
所有水样中均检测到细菌、古菌、真核生物和病毒。在门水平上，河水与污水样本的微生物群落均以变形菌门和放线菌门为主。通过基因组分箱技术进一步明确，在门水平上，假单胞菌门和放线菌门是ARGs的重要宿主。在属水平上，河水样本中ARGs的主要宿主包括沃格氏菌属和湖栖菌属，而污水样本中则以假单胞菌属和食酸菌属为主。通过与人类致病菌数据库比对，发现河水样本中ARGs的主要病原宿主是伯克霍尔德氏菌，而污水样本中则是Pseudomonas knackmussii和Pseudomonas alcaligenes。
3.3. ARGs与MGEs的相关性
移动遗传元件(MGEs)在ARGs的水平转移中扮演关键角色。研究检测到多种整合子、插入序列、接合转座元件和质粒。线性回归分析表明，ARGs群落的差异性与整合子、ICEberg（接合转座元件数据库）和质粒的差异性存在显著正相关。曼特尔检验进一步证实，ARGs及其宿主群落的多样性与MGEs的丰度呈显著正相关，说明MGEs介导的水平基因转移以及宿主微生物群落的结构共同驱动着ARGs的传播。
3.4. ARGs的风险评估
研究对丰度排名前50%的ARGs进行了风险评估。在河水样本中，多药耐药基因在风险ARGs中占主导地位(53.21%)，其次是糖肽类(10.09%)和四环素类(9.17%)抗性基因。总体而言，ARGs的环境风险在中游河水和污水排放点较高。值得注意的是，ARGs的丰度并不能完全等同于其风险水平，例如样本R4的ARGs丰度高于R1，但其风险却更低。研究还发现，重金属抗性基因（如镍、铜、砷抗性基因）与ARGs可能存在关联，且ARGs与毒力因子关系密切，暗示了耐药性与致病性之间的潜在联系。
3.5. 下游水体中微生物及ARGs的来源追踪
为追溯污染来源，研究人员将采样点分为上、中、下游进行来源分析。结果显示，下游河水中的细菌和古菌主要来源于上游(52.52%, 52.15%)和中游(46.27%, 48.42%)河段。对于多药耐药、MLS、四环素和糖肽类抗性基因，约46-58%来源于上游河段。而在污水样本中，中游区域对下游的贡献更为显著。综合河水与污水的来源追踪发现，多药耐药、MLS、四环素等主要ARGs类型超过60%来源于上游和中游河水，而氨基香豆素和莫匹罗星抗性则主要(超过60%)来源于污水排放。
本研究系统揭示了长江下游抗生素抗性基因的污染全景。主要结论包括：首先，长江下游水体普遍存在以多药耐药基因为主导的ARGs污染，主要耐药机制为外排泵，其丰度在中游最高，下游河口最低。其次，变形菌门和放线菌门是ARGs的关键宿主，且ARGs的分布与畜牧业和水产养殖活动密切相关。再次，移动遗传元件与ARGs及其宿主群落的多样性显著正相关，共同驱动了ARGs的传播。复次，中游河段及污水排放点的ARGs环境风险相对更高。最后，来源追踪表明，下游河水中的ARGs主要来源于上游和中游河水，而污水排放则是特定类型ARGs（如氨基香豆素抗性）的重要来源。
这项发表于《Environmental Technology》的研究具有重要的科学与实践意义。它首次对长江下游ARGs的分布、变异趋势、宿主、风险及来源进行了系统性调查，填补了该区域在此领域的知识空白。研究明确了人为活动（尤其是畜牧和水产养殖）的关键驱动作用，以及中游河段作为风险“热点”区域的重要性，为精准监测与治理指明了重点。提出的总抗性组风险模型为量化环境中的ARGs风险提供了工具。最重要的是，研究成果直接服务于长江三角洲众多城市的饮用水水源保护，为制定控制ARGs污染、保障全流程饮水安全的策略提供了至关重要的数据支持，对维护区域公共卫生安全具有深远影响。
