人为排放对河流环境中微生物风险及抗生素抗性基因的影响研究

《International Journal of Hygiene and Environmental Health》：Influence of anthropogenic inputs on microbial risks and resistance genes in a riverine environment

本研究针对不同来源水体排放对河流微生物群落及抗生素抗性基因（ARGs）的扩散风险，通过宏基因组分析系统比较了农业、医院、未处理生活污水、处理污水及环境水体的微生物群落结构和抗性基因谱。结果显示医院污水（HW）贡献了关键抗生素（如美罗培南和万古霉素）抗性基因，处理污水（TW）呈现最丰富的ARGs多样性，包括氨基糖苷类、青霉素类和头孢菌素类广谱抗性基因。研究强调需加强污水处理工艺和监管以遏制抗性基因在水环境中的传播。

　　

随着城市化进程加速，河流生态系统正面临日益严重的人为污染压力。各类废水排放不仅改变水体的化学组成，更成为抗生素抗性基因（ARGs）和病原微生物传播的温床。传统水质监测主要依赖大肠杆菌等指示菌的培养计数，难以全面揭示微生物群落的真实风险谱系。墨西哥莫雷洛斯州的Apatlaco河因其63公里河程内汇集多种排放源，为研究人为干扰对水体微生物的影响提供了理想模型。

为系统评估不同排放源对河流微生物风险的影响，研究团队在2023年旱季采集了水产养殖废水（AW）、医院废水（HW）、未处理生活污水（UW）、污水处理厂出水（TW）及河流终点环境水体（En）五类样本。通过复合采样策略收集10升水样，采用DNeasy PowerWater Kit进行DNA提取，利用Illumina NextSeq550平台进行宏基因组测序。生物信息学分析涵盖FastP质控、MetaPhlan4物种注释、Megahit组装、DIAMOND基因注释等流程，抗性基因鉴定通过ABRIcate整合NCBI、CARD等六大数据库完成。同时开展细菌分离培养和抗生素敏感性试验（CLSI标准），并首次引入密码子适应指数（CAI）评估抗性基因的表达潜力。

微生物群落结构分析显示，HW样本的α多样性最低，TW和UW具有相似多样性水平，而En样本呈现最高丰富度。所有样本均以变形菌门（Proteobacteria）为主导，HW中拟杆菌门（Bacteroidetes）占比达57%。在属水平上，AW以淡水细菌Sphingorhabdus和Limnohabitans为主（62%）；HW富含污水处理厂相关菌属（Allopseudarcicella 30%）；UW和TW均检测到大量潜在病原菌，如Arcobacter cryaerophilus（8%）、Acinetobacter johnsonii（3%）等。Beta多样性分析表明UW与TW群落结构高度相似，而En样本呈现混合特征。

抗性基因分析发现AW未检测到ARGs，HW则包含针对万古霉素、美罗培南等关键抗生素的多种ARGs。TW表现出最丰富的抗性基因多样性，包括氨基糖苷腺苷酸转移酶基因及bla_OXA-464、bla_TLA-1等β-内酰胺酶基因。CAI分析揭示UW和TW中ARGs的密码子使用偏好与核糖体基因高度一致（CAI 0.72-0.87），表明这些基因具有高翻译效率潜力，而HW的ARGs呈现更大变异性，反映医院环境中介导基因水平转移的重组事件活跃。

细菌分离鉴定成功获得20株菌株，其中HW来源的肺炎克雷伯菌（Klebsiella aerogenes）对哌拉西林、氨苄西林呈现耐药，表皮葡萄球菌（Staphylococcus lentus）检出甲氧西林耐药株。病毒群落分析显示所有样本均以有尾病毒纲（Caudoviricetes）为主导，HW中Mesyanzhinovviridae科病毒丰度较高，UW、TW和En的病毒组成呈现收敛趋势。

本研究通过宏基因组技术揭示了不同排放源对河流微生物组和抗性基因谱的差异化影响。医院废水作为临床相关耐药菌的重要传播源，其排放即使经过处理仍携带具有高表达潜力的抗性基因。污水处理厂出水虽降低微生物负荷，但成为多种抗性基因的汇集点。下游环境样本的微生物组成证实了上游排放的累积效应，强调需要建立从源头到终点的全程监控体系。该研究为制定针对性的废水处理标准和抗性基因防控策略提供了科学依据，对保障水环境安全和公共卫生具有重要意义。