医院废水处理系统中抗生素耐药基因向环境传播的风险评估与机制解析

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Risk assessment of the spread of antibiotic resistance genes from hospitals to the receiving environment via wastewater treatment plants

本研究针对抗生素耐药基因(ARGs)通过污水处理厂从医院向环境传播的生态风险问题，通过宏基因组学技术系统追踪了ARGs在“医院-污水处理厂-下游水体/沉积物”传输链中的动态变化。研究发现，尽管抗生素总浓度去除率达92.40%，但高生态风险抗生素种类仅减少38.46%，且Rank I ARGs在受纳水体中占比高达81.8%。研究揭示了变形菌门(Proteobacteria)作为主要ARGs宿主携带杆菌肽和多药耐药基因的传播机制，构建了抗生素及ARGs环境风险评估框架，为耐药基因污染控制提供理论依据。

　　

抗生素的广泛使用在医学进步的同时，也带来了严峻的环境挑战——抗生素耐药基因（ARGs）的传播。世界卫生组织（WHO）已将其列为21世纪全球重大健康威胁之一。医院作为抗生素使用的重要场所，其废水含有高浓度的抗生素残留和耐药基因，这些污染物通过医院污水处理站和城市污水处理厂（WWTPs）处理后排放至自然水体，可能加剧环境中耐药基因的扩散，进而威胁生态系统平衡和人类健康。尽管污水处理厂能有效去除传统有机污染物，但对新型污染物如抗生素和ARGs的去除能力有限，导致这些污染物持续进入环境。河流等水体作为废水的主要受纳环境，成为ARGs和耐药细菌（ARB）传播的热点区域。然而，目前对于ARGs在“医院-WWTPs-环境”这一完整传输链中的源-汇动态及生态风险仍缺乏系统评估。为此，发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上的研究，通过实地调查和宏基因组学分析，旨在揭示ARGs沿抗生素浓度梯度变化的传输链中的主要驱动因素，并评估其潜在环境风险。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下关键技术方法：首先，在春季和秋季从医院污水处理站进水口（Hospital IN）、出水口（Hospital EF）、污水处理厂进水口（WWTPs IN）和出水口（WWTPs EF）以及下游受纳水体和沉积物等多个节点系统采集了水体和沉积物样本。其次，利用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）对样本中的23种抗生素进行了定量分析。第三，采用宏基因组测序技术（Illumina Hiseq X-ten平台）对微生物群落DNA进行高通量测序，并通过生物信息学流程（包括使用MEGAHIT进行从头组装、MetaBAT2进行基因组分箱（Binning）获得高质量宏基因组组装基因组（MAGs））来鉴定ARGs（基于SARG v2.2数据库）及其宿主细菌。此外，还利用MetaCompare和MetaCHIP等工具评估了ARGs的环境传播风险和水平基因转移（HGT）潜力。研究还采用了风险商值（RQ）方法进行抗生素的生态风险评估，并运用主坐标分析（PCoA）、普氏分析（Procrustes analysis）和中性模型（Neutral model）等统计方法分析微生物群落与ARGs结构的关系。

3.1. 抗生素浓度变化及生态风险评估

研究人员通过UPLC-MS/MS检测了传输链各节点样本中的抗生素浓度。结果显示，抗生素总浓度从医院废水中的1467.80 ± 215.30 μg/L降至下游受纳水体中的111.52 ± 18.70 μg/L，去除率达到92.40%。然而，对生态风险进行评估后发现，医院废水中56.52%的抗生素具有高风险，其中38.46%为β-内酰胺类抗生素（如亚胺培南、厄他培南等）。尽管经过医院和WWTPs的处理，高风险抗生素的种类仅减少了38.46%，表明残留抗生素对下游水体的生态风险依然较高。

3.2. ARGs及Rank I ARGs的变化特征

研究发现在传输链中，多药耐药、氨基糖苷类、大环内酯-林可酰胺-链阳霉素B（MLS）、β-内酰胺类和四环素类ARGs的丰度占总ARG负荷的50%以上。下游受纳水体中93.18%的主要ARGs与上游医院和WWTPs来源共存。Rank I ARGs（WHO列为关键耐药基因）的数量在医院污水处理站减少了37.03%，在WWTPs减少了28.57%，但在受纳水体中仍有81.8%的Rank I ARGs与WWTPs出水一致。值得注意的是，在医院污水处理站的氯消毒后，aac(6′)-I和sul1等Rank I ARGs的丰度反而显著上升，提示消毒过程可能对耐药菌产生了选择性压力，促进了某些ARGs的富集。

3.3. 传输链中ARGs的宿主细菌

研究通过宏基因组组装获得了65个高质量MAGs（完整度>90%，污染度<10%），其中41个被鉴定为ARGs的潜在宿主细菌，48.7%的宿主携带多个ARGs。多药耐药基因（42.4%）和杆菌肽耐药基因（10.4%）最为常见，其主要耐药机制为抗生素外排（64.8%）。变形菌门（Proteobacteria）是主要的ARGs宿主（占70.7%），其次是厚壁菌门（Firmicutes）。在科水平上，红杆菌科（Rhodobacteraceae）、链球菌科（Streptococcaceae）等是主要的ARGs携带者。共现网络分析表明，携带ARGs的细菌在网络中具有更高的节点度数和中介中心性，其移除会导致网络复杂度显著下降。进一步分析发现，55.6%的ARGs宿主细菌为致病菌，如不动杆菌属（Acinetobacter）、军团菌属（Legionella）和链球菌属（Streptococcus），这些细菌在传输链各节点均被检测到，并携带与移动遗传元件（MGEs）相邻的多药耐药基因（如mexT, abeM），提示其具有较高的传播风险。

3.4. ARGs的环境风险评估及驱动因素

普氏分析显示，ARGs与微生物群落结构之间存在显著相关性（Procrustes correlation=0.89, P=0.002），表明耐药细菌的相对丰度是整体微生物组组成的关键决定因素，而MGEs与ARGs的关联较弱。中性模型分析表明，从医院废水到WWTPs再到环境栖息地，确定性过程对ARGs组成的影响逐渐减弱，随机性过程（如随机扩散、生态漂变）的作用增强，尤其在水中（R²=0.65）比沉积物中（R²=0.60）更为明显。利用MetaCompare工具进行的定量风险评估显示，ARGs的潜在传播风险在医院废水处理后降低了24.31%，在WWTPs处理后降低了20.71%，但受纳水体的风险仍是沉积物的7.01倍。MetaCHIP分析进一步揭示，变形菌门和厚壁菌门是参与ARGs水平基因转移的主要门类，其中不动杆菌属（Acinetobacter）和弧菌属（Vibrio）等致病菌在受纳水体的ARGs水平转移中起关键作用。

本研究通过宏基因组学手段系统揭示了抗生素耐药基因从医院经由污水处理厂向环境传播的路径与风险。研究发现，尽管现有处理工艺能显著降低抗生素总量，但对高风险抗生素种类和关键耐药基因（Rank I ARGs）的去除效率有限，导致下游水体持续承受生态风险。微生物群落（尤其是致病菌如不动杆菌、军团菌）是ARGs传播的关键载体，其与移动遗传元件的关联加剧了耐药性的扩散。风险评估表明，水相环境的风险远高于沉积物。该研究构建的抗生素及ARGs环境风险评价框架，为优化医院和污水处理厂的抗生素污染控制策略、阻断耐药基因环境传播提供了重要的科学依据和实践指导。