大西洋气溶胶中抗生素抗性基因的跨洋传播与来源解析

《Science of The Total Environment》：Antimicrobial resistance genes (ARGs) in sea surface aerosols over the Atlantic Ocean

本研究针对海洋上空大气中抗生素抗性基因（ARGs）的来源与传播路径不清的问题，通过横跨大西洋的航程，采用整合采样与定点采样相结合的方式，分析了气溶胶中细菌群落结构及20种ARGs亚型的分布。研究发现，ARGs总浓度平均约为1.1×104 copies/m3，近岸区域受农业活动影响的ARGs（如erm35, tetM）占主导，而远海区域则以海洋来源的喹诺酮类外排泵基因（如qepA）为主。该研究揭示了陆源与海源对抗菌耐药性大气传播的共同贡献，强调了海洋环境作为ARGs储存库与传播媒介的重要性。

　　

在广袤的海洋上空，我们呼吸的空气并非一片“净土”。微小的气溶胶颗粒如同无形的方舟，承载着包括细菌及其携带的抗生素抗性基因（Antimicrobial Resistance Genes, ARGs）在内的生物成分，进行着跨越大陆与海洋的远程旅行。抗菌素耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）已成为全球公共卫生的重大威胁，而环境，特别是大气，被认为是ARGs传播的关键途径之一。然而，相对于对陆地和水中ARGs的研究，我们对远洋上空大气中ARGs的多样性、丰度、来源及其传播动态的了解仍然非常有限。海洋是地球上最大的生态系统，它既是污染物的汇，也可能成为耐药基因的源。厘清海洋上空大气ARGs的组成与来源，对于理解AMR的全球循环和制定有效的控制策略至关重要。

为此，由Pierre Amato和Caroline Duchaine领导的研究团队，利用“蓝色观察者”号帆船平台，进行了一次从法国至美国的跨大西洋科学考察。该研究旨在绘制大西洋上空气溶胶中细菌群落结构和关键ARGs的分布图谱，并解析其陆源与海源贡献。研究成果发表在环境科学领域知名期刊《Science of The Total Environment》上。

研究人员在航程中并行采用了两种气溶胶采样策略：一是使用石英滤膜进行24小时整合采样（低流速，~7 L/min），以获取时间平均的代表性样本；二是使用驻极体干滤器进行1小时定点采样（高流速，300 L/min，分日间和夜间），以捕捉瞬时或局地化的微生物输入。通过对采集的气溶胶样本进行DNA提取，研究人员利用定量PCR（qPCR）技术靶向细菌16S rRNA基因和一组包含20种ARGs亚型及1个可移动遗传元件（Mobile Genetic Element, MGE）的面板，定量分析了总细菌和各类ARGs的浓度。同时，通过对16S rRNA基因V3-V4可变区进行高通量测序，解析了空气中细菌群落的组成（以扩增子序列变体ASVs表示）。此外，研究还结合欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析数据集，计算了采样前72小时内气团的后向轨迹，以追溯气团的地理来源和海拔历史，分析其与大气边界层（Atmospheric Boundary Layer）的关系，从而将微生物观测与大气动力学过程联系起来。

3.1. 海面气溶胶中总细菌和ARGs的 airborne 浓度

研究发现，无论是日间还是夜间定点采样，观测到的细菌基因组浓度中位数相近，分别为8.4×10² 和 9.3×10² genomes/m³。24小时整合采样获得的细菌浓度略高于定点采样（中位数3.1×10³ genomes/m³），但所有样本间均存在较大变异。特别值得注意的是，在靠近亚速尔群岛附近，无论是整合采样还是夜间定点样本，都观察到一个明显的细菌浓度峰值，最高可达6.5×10⁶ genomes/m³，表明附近陆地可能产生了直接影响。

在监测的20种ARGs亚型中，有19种在气溶胶样本中至少被检测到一次。总ARGs的估算浓度在定点采样和整合采样之间没有显著差异，中位数分别为9.7×10¹（日间）、4.9×10²（夜间）和4.6×10²（整合）copies/m³。在24小时整合样本中，喹诺酮类（主要是qepA）、万古霉素（vanA, vanB）和氨基糖苷类（aac(3)-II）抗性基因最为普遍，其中喹诺酮类抗性平均约占ARGs总浓度的85%。这种贡献在靠近海岸时发生变化：在法国海岸附近，四环素类和磺胺类抗性比例较高；而在靠近美国海岸时，大环内酯类抗性贡献增加。气团后向轨迹分析表明，气团在到达船只前72小时内停留在大陆边界层的时间与四环素抗性基因的丰度呈正相关，而停留在海洋边界层的时间则与氨基糖苷类抗性基因的丰度正相关，这分别指示了潜在的陆地和海洋来源特征。

3.2. 海面气溶胶中的 airborne 细菌多样性

细菌群落的多样性分析显示，定点采样和整合采样捕获的细菌群落结构存在显著差异。整合样本的细菌多样性较低，群落不均匀，主要由假单胞菌门（Pseudomonadota，占93%）的菌属主导，如寡养单胞菌属（Stenotrophomonas）、假单胞菌属（Pseudomonas）、草螺菌属（Herbaspirillum）等，这与强烈的环境或土壤相关细菌印记一致。相比之下，定点样本表现出更高的细菌ASVs多样性和更均衡的群落结构，厚壁菌门（Bacillota，如葡萄球菌属Staphylococcus、链球菌属Streptococcus）和放线菌门（Actinomycetota）的相对丰度更高，指示了更多暂态或局地化的微生物输入，可能包括共生或潜在致病菌群。

3.3. 细菌分类学与ARGs的关系

通过构建ARGs与细菌属水平的加权相关网络，研究发现整合样本的网络关联相对集中，核心ARGs包括qnrB、qepA、aac(3)-II、blaTEM、vanB和ermX等，它们与假单胞菌门中的多个属（如假单胞菌属、草螺菌属）显著正相关，表明了一个相对稳定的背景抗性组。而定点样本的网络关联更为分散，虽然关联的菌属更多，但这些菌属在总ASVs中所占比例较低，且最优势的菌属（如葡萄球菌属）未与任何监测的ARGs显着相关，表明关联主要由环境菌属驱动。值得注意的是，在两类样本中，均发现一些与土壤或植物相关的菌属（如鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas、根瘤菌属Rhizobium）以及少数与蓝细菌相关的菌属（如Aliterella）与多种ARGs相关联，提示了陆地和海洋环境微生物作为ARGs储存库的潜在作用。

本研究通过对跨大西洋航程中气溶胶的系统采样与分析，首次较为全面地揭示了大西洋上空大气抗性组的组成、动态及其潜在来源。研究结果表明，远洋气溶胶中存在着可观浓度的ARGs，其组成呈现出从近岸到远海的梯度变化。近岸区域，ARGs谱系显示出明显的陆源（特别是农业活动）印记，如大环内酯类（erm35）、四环素类（tetM, tetW）和磺胺类（sul1）抗性基因；而远海区域，则主要由推测源于海洋环境的喹诺酮类外排泵基因（如qepA）所主导。细菌多样性分析进一步支持了陆源影响的主导地位，但同时也识别出可能与海洋表面发射相关的特定细菌类群及其携带的ARGs（如氨基糖苷类抗性aac(3)-II与海洋边界层停留时间正相关）。

这项研究的重要意义在于它将大气传输途径纳入到AMR全球循环的综合评估中。它证实了ARGs能够通过大气进行跨洋甚至跨大陆的远程传播，海洋环境不仅是陆源ARGs的汇，其自身的微生物群落也是大气ARGs的一个不可忽视的来源。研究结果强调了在评估和管理AMR风险时，必须考虑环境介质（特别是大气）的连通性，以及海洋生态系统在ARGs产生、储存和传播中的角色。此外，研究所采用的多种采样策略对比，也为未来海洋环境生物气溶胶研究的方案设计提供了重要参考。尽管未能直接对比表层海水样本是一个局限，但结合气团轨迹分析，该研究仍为理解ARGs的“大气-海洋”界面交换过程提供了关键见解，对预测AMR的传播路径和制定全球性的防控策略具有深远影响。