探索亚热带河流流域的城市和城郊河床沉积物中的微生物多样性、抗生素抗性及其环境驱动因素

《Environmental Research》：Exploring microbial diversity, antibiotic resistance, and their environmental drivers in urban and peri-urban riverbed sediments of sub-tropical river basins

河流沉积物微生物多样性及抗生素抗性研究

　　这项研究聚焦于印度两个亚热带河流流域的河床沉积物，旨在探讨城市化对微生物群落及抗微生物耐药性（AMR）的影响。研究区域包括主要河流Song及其支流Rispana、Bindal和Suswa，分别流经郊区和高度城市化的子流域。通过在2024年的冬季、夏季和雨季期间，从9个采样点收集27个沉积物样本，研究人员对微生物多样性、抗生素耐药细菌（ARB）、理化性质、抗生素残留和重金属浓度进行了全面分析。研究结果揭示了高度城市化子流域的沉积物中，污染物和抗生素耐药细菌的负荷更高，尤其是ESKAPE病原体属和肠杆菌目细菌。然而，无论是郊区还是城市化子流域，沉积物中的优势菌门均为假单胞菌门和芽孢菌门，包括如假单胞菌、葡萄球菌和不动杆菌等病原菌。

研究发现，重金属和抗生素的高浓度与抗微生物耐药性的增加密切相关。这表明，城市化活动带来的污染不仅影响了水体质量，还对河床沉积物中的微生物群落产生了深远的影响。研究进一步指出，沉积物中的细菌群落可能成为耐药基因（ARGs）的储存库和传播途径，通过水平基因转移机制，如接合、转化或转导，将耐药性基因传递给其他微生物。这种基因传递过程可能导致抗生素耐药细菌的广泛扩散，从而对公共健康构成威胁。

研究还强调了河床沉积物在生态系统中的重要性。这些沉积物不仅富含微生物，还可能成为污染物的沉积场所。在低流量期间，污染物如抗生素和重金属更容易沉积在河床，进而影响沉积物的理化性质和生态系统动态。此外，研究指出，河床沉积物中的微生物群落可能加速抗生素和重金属耐药基因的共选择，这进一步增加了耐药细菌的形成风险。抗生素残留的积累和重金属浓度的升高，可能共同作用，促进耐药细菌的繁殖和传播。

在研究方法上，研究人员采用了非培养技术，即16S rRNA扩增子测序，以分析细菌的种类和多样性。同时，通过超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-QToF-MS）技术，检测了沉积物中的抗生素残留。此外，利用异养菌落计数（HPC）方法评估了抗生素耐药细菌的负荷。这些方法的结合，使得研究人员能够全面了解沉积物中微生物群落的组成、耐药性特征及其与环境因素之间的关系。

研究区域的地理特征和生态环境也对分析结果产生了影响。Song河流域位于印度北部，其流域面积约为970平方公里，海拔范围从2724米到291米。河流起源于穆索里-丹乌利特山脊的南坡，发源于喜马拉雅山脉的较低部分，海拔约2500米。该河流流经德里敦智能城市（DSC）的外围，经过Doiwala和Kansrao森林，最终汇入更大的水系。这种地形和水文特征，使得该流域在不同季节中，污染物的迁移和沉积模式有所不同。

在人口分布和土地利用/覆盖（LULC）方面，研究区域的郊区子流域（PRS）表现出分散的人口分布和零散的居住模式，而城市化子流域的中游区域则呈现出高密度的人口聚集。这种人口分布的差异，可能导致不同子流域中污染物的来源和浓度存在显著变化。例如，城市化区域可能由于工业活动和人口密集，导致更多的抗生素和重金属排放进入水体，进而影响沉积物的微生物群落。

研究还提到，全球范围内，抗生素耐药细菌已成为一个严重的公共卫生问题。据2019年的数据，由于细菌相关疾病导致的死亡人数约为490万，其中抗菌耐药性（AMR）在这些死亡中起到了关键作用，导致了约127万例死亡。这一现象表明，抗生素耐药细菌的传播和扩散可能对人类健康产生重大影响，尤其是在水资源受到污染的地区。

为了更深入地理解这些现象，研究采用了多季节采样策略，分析了不同季节下沉积物的理化性质和微生物群落的变化。夏季和雨季期间，由于降雨和水流量增加，污染物的迁移和沉积可能更加显著，从而影响微生物的生长和繁殖。而冬季由于水流量较低，污染物可能更容易沉积在河床，进而改变沉积物的理化性质和微生物组成。这种季节性变化可能对微生物群落的结构和功能产生重要影响。

此外，研究还指出，沉积物中的微生物群落可能在不同空间尺度上表现出不同的特征。例如，郊区和城市化子流域的沉积物中，优势菌门可能有所不同，这可能与不同的环境条件和污染物来源有关。研究还强调了重金属和抗生素的协同作用，即它们可能共同促进耐药基因的传播和耐药细菌的形成。这种协同作用可能在城市化区域更为显著，因为这些区域通常受到更多的工业和农业污染。

在数据管理和研究支持方面，研究得到了多个机构和项目的资助。其中包括CGIAR One Health倡议、CGIAR SAAF项目以及国际水资源管理研究所-斯里兰卡（IWMI）。此外，印度理工学院-罗尔基（IIT-Roorkee）为研究提供了必要的基础设施和技术支持。这些支持对于研究的顺利进行至关重要，尤其是在数据采集、分析和处理过程中。

研究的发现不仅对环境管理提供了科学依据，还对政策制定具有重要意义。通过揭示郊区和城市化子流域中微生物群落和耐药细菌的差异，研究为制定针对性的管理措施提供了参考。例如，针对高度城市化的区域，可能需要更严格的污染控制措施，以减少抗生素和重金属的排放，从而降低耐药细菌的形成和传播风险。同时，研究还强调了对沉积物微生物群落进行长期监测的重要性，以评估环境变化对微生物群落的影响。

总体而言，这项研究通过多季节采样和多技术手段，全面分析了亚热带河流流域的河床沉积物中的微生物群落和耐药性特征。研究结果表明，城市化活动对微生物群落和耐药细菌的形成具有显著影响，尤其是在重金属和抗生素浓度较高的区域。通过这些研究，可以更好地理解城市化对水环境和微生物群落的影响，从而为未来的环境管理和公共卫生政策提供科学支持。