日本主要一级（A类）河流中抗菌剂、耐抗菌药物细菌及其耐药基因特征的全国性首次调查

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：First Nationwide Survey of the Characterization of Antibacterials, Antimicrobial-Resistant Bacteria, and Antimicrobial Resistance Genes in Major First-Class (Class A) Japanese Rivers

　　安松隆士 | 海井雅晴 | 长井智弘 | 林哲也
大阪医科薬科大学药学部，高槻市569-1094，日本

**摘要**
水生环境中抗菌素耐药性（AMR）是一个日益严重的全球性问题；然而，将抗菌剂残留物、抗菌素耐药细菌（AMRB）和抗菌素耐药基因（ARGs）联系起来的综合、全国范围的评估仍然有限。本研究首次对2025年夏季和冬季日本八个地理区域内的18条一级（Class A）主要河流中的地表水中的AMR进行了全面的全国性分析。抗菌剂普遍以ng/L的水平被检测到，其中氟喹诺酮类和大环内酯类在各个地区和季节中占主导地位，并且在冬季的检测频率更高。同时，在所有河流中均持续检测到具有临床意义的AMRB，包括产生ESBL的肠杆菌科细菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、多重耐药的鲍曼不动杆菌和耐万古霉素的肠球菌。AMRB的平均浓度为1至28 CFU/mL，尤其是在冬季，肠球菌和铜绿假单胞菌的丰度较高，这表明相对于废水来源，它们在环境中广泛但稀释地传播。β-内酰胺酶基因（blaCTX-M、blaTEM、blaIMP）在所有样本中均被检测到，其浓度为10^1–10^6拷贝/mL，并且在不同季节间保持稳定的丰度，表明它们在河流微生物群落中持续存在。多变量分析表明，抗菌剂浓度主要受流域范围内的人为压力（如人口密度和有机负荷）的影响，而ARG的分布则反映了累积的废水输入和环境稳定过程。值得注意的是，抗菌剂和ARG之间存在明显的脱钩现象，表明遗传决定因素的持久性超过了化学驱动因素。尽管全国范围内的耐药选择风险比率低于中等风险阈值，但在高度城市化的流域中，氟喹诺酮类和大环内酯类的贡献尤为显著。这些发现为在“同一健康”框架内开发基于流域的AMR监测和缓解策略提供了关键证据。

**引言**
抗菌素耐药细菌（AMRB）的出现和传播已升级为全球健康危机，被广泛认为是超越国界的“无声大流行病”[1]。这一日益严重的危机突显了协调国际努力、促进谨慎使用抗菌剂的同时减轻其生态毒性和与抗菌素耐药性相关的环境风险的紧迫性。因此，在现代生活方式与长期环境可持续性之间找到平衡已成为一个关键的社会挑战。确保抗菌剂的谨慎使用并减轻AMR的潜在环境风险，对于调和现代生活方式与可持续的人类繁荣至关重要[2]。一项覆盖204个国家和地区的全球流行病学研究估计，2019年AMR导致了127万人死亡[3]。最新的预测警告称，到2050年，每年因AMR导致的死亡人数可能超过3900万，累计死亡人数可能达到1.69亿[4]。作为回应，世界卫生组织（WHO）确定了需要紧急研究和药物开发的关键优先病原体[5]，并在其关于AMR的全球行动计划中强调了综合的“同一健康”方法，要求各国制定行动计划[6][7]。
在临床环境中，WHO强调了几种高优先级的耐药病原体，包括耐碳青霉烯类肠杆菌目（CRE）、产生广谱β-内酰胺酶的肠杆菌目（ESBL）、多重耐药的鲍曼不动杆菌（MDRA）、多重耐药的铜绿假单胞菌（MDRP）和耐万古霉素的肠球菌（VRE），这些病原体统称为ESKAPE病原体[8]。越来越多的证据表明，这些病原体不仅存在于医疗环境中，还出现在医院废水、污水处理厂排放物、河流、湖泊和海洋环境中[9]。其中，大肠杆菌（E. coli）作为水质的关键微生物指标，是高致病性和多重耐药性的储存库，是医院内爆发的常见原因[10]。特别需要关注的是β-内酰胺酶基因，如blaIMP、blaTEM和blaCTX-M，它们是导致大肠杆菌及相关生物耐药的基石[11]。关于这些基因在水处理过程中的环境流行情况和行为的研究正在不断进展。与此同时，包括β-内酰胺类、氟喹诺酮类、大环内酯类、四环素类和糖肽类在内的多种抗菌剂在水生环境中被广泛检测到[12]。
AMRB、抗菌素耐药基因（ARGs）和抗菌剂在水生环境中的共存对人类和生态系统健康构成多重风险。直接接触AMRB可能导致感染，而ARGs可以在环境微生物之间水平传播，有可能催化新的耐药菌株的出现[13]。抗菌剂本身可能对水生生物产生毒性作用，并通过污染饮用水源或驱动耐药性选择和随后的感染传播间接威胁人类健康[14]。因此，水生系统中的AMR越来越多地被认为是人类-动物-环境界面上的一个重大公共卫生问题[15]。
最近在微生物学和分析化学方面的技术进步使得开发精细的方法来检测和量化环境样本中的AMRB、ARGs和抗菌剂成为可能[16]。这些方法逐渐揭示了AMR的环境动态，但当前的研究主要集中在主要城市流域和代表性的大河流上。此外，很少有研究在同一地点同时评估AMRB、ARGs和抗菌剂，限制了综合评估的进展。实际挑战包括调查范围的限制以及缺乏处理大量样本的高通量系统，进一步阻碍了针对AMR的环境解决方案的进展[17]。在日本，尽管该国在医疗和畜牧业中广泛使用抗菌剂[18]，但对河流和废水中抗菌剂和AMR的全国监测仍然不足。全球范围内，只有少数国家规模的调查报告，例如德国污水处理厂排放物中的耐碳青霉烯类肠杆菌目[19]、中国河流中的抗菌剂[20]以及澳大利亚污水处理厂排放物中的抗菌剂[12]。这些例子表明，关于大规模AMR监测的国际讨论仍处于起步阶段。明确水生环境中AMR的全国状况对于进行准确的大规模风险评估以及制定基于证据的减少AMR相关污染的政策至关重要。

**应对这些挑战，我们的研究团队最近开发了一个高通量分析平台，能够快速精确地量化各种水样中的抗菌剂，从而实现全国范围的监测。在此基础上，本研究旨在全面评估日本主要河流系统中的AMR。具体来说，我们系统分析了18条根据日本河流法被指定为国家土地保护和公共供水关键的一级（Class A）河流，涵盖了该国的所有八个主要地区。通过描述AMRB和ARGs的全国性出现模式及其环境和特征，本研究提供了日本河流系统中AMR的首次全国性描述。这种综合方法还使我们能够研究AMR水平之间的关联，为AMR的缓解和公共卫生的保护提供见解。**

**章节摘录**
**日本河流水的全国采样**
为了研究日本河流环境中AMR的出现情况，我们从代表八个地理区域（北海道、东北、关东、中部、近畿、中国、四国和九州）的18条主要一级（Class A）河流中收集了地表水[21]。这些河流属于日本河流法指定的一级水系统，被广泛用作饮用水源。采样点概述见图1，所调查河流的特征见图2和表S4。

**河流水中的抗菌剂**
通过一项涵盖日本八个代表性地区18条主要一级河流系统的全国性调查，研究了河流水中抗菌剂的存在情况。空间分布见图2，化合物具体数据见表S4。在两个季节中均检测到了多种治疗类别的抗菌剂，包括氟喹诺酮类左氧氟沙星和环丙沙星、大环内酯类克拉霉素、糖肽类万古霉素等。

**局限性**
预计全国范围内的环境AMR监测将在各地区和国家之间扩展。因此，明确认识大规模调查的方法学限制并确定改进领域对于确保研究结果的可靠性至关重要。首先，应考虑与采样设计相关的限制。本研究中包含的18条主要一级（Class A）河流被选为代表所有八个主要地区。

**结论**
理解连接人类活动和环境过程的流域系统对于应对涉及AMRB和ARGs的AMR风险至关重要。本研究提供了日本主要河流系统中抗菌剂、AMRB和ARGs的首次全国性综合评估。在所有18条一级（Class A）河流中，均一致检测到残留的抗菌剂，其中氟喹诺酮类和大环内酯类在两个季节中均占主导地位。
**资金支持**
本研究得到了日本文部科学省（20H02289、23H03553和24K15322）、日本Nippon基金会-大阪大学传染病预防项目、日本厚生劳动省（21HA1002和24HA1003）以及日本医疗研究开发机构（AMED）（JP22fk0108131和JP25fk0108666）在研究资助和奖学金方面的支持。

**作者贡献声明**
海井雅晴：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原初草稿、监督、方法学、研究、资金获取、正式分析、概念化。
林哲也：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原初草稿、项目管理、方法学、概念化。
长井智弘：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原初草稿、方法学、研究、资金获取、正式分析。
安松隆士：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原初草稿。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的会影响到本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
我们感谢河流工作人员提供水样。还要感谢吉川青里在分析河流水样本中抗菌剂环境命运方面的技术支持。

**利益冲突**
资助机构在研究设计、数据收集与分析、发表决定或手稿准备方面没有发挥作用。作者声明他们没有利益冲突。

**机构审查委员会声明**
不适用。

**知情同意声明**
不适用。