低剂量氯消毒对活性污泥中抗生素抗性基因及其病原宿主的富集与活化风险研究

《Water Research》：Low-dose chlorine disinfection poses a greater potential risk of antibiotic resistance genes (ARGs) and their pathogenic hosts

本研究针对氯消毒在污水处理过程中对抗生素抗性基因(ARGs)影响的矛盾报道，通过整合宏基因组和宏转录组分析，发现低剂量氯(2 mg/L)会显著提升ARGs丰度、多样性和转录活性，尤其多重耐药、β-内酰胺类和四环素类基因，而高剂量(10 mg/L)则表现出抑制作用。研究首次揭示病原菌Acinetobacter johnsonii在氯胁迫下通过可移动遗传元件(MGEs)介导水平基因转移(HGT)的潜在风险，为优化污水处理厂消毒策略提供重要科学依据。

　　

在全球抗生素消耗量15年间激增65%的背景下，抗生素抗性基因（ARGs）已扩散至极地、深海等几乎所有人类可及的生境。污水处理厂（WWTPs）的活性污泥系统作为ARGs和抗生素耐药菌（ARBs）的关键富集场所，其消毒策略的选择直接影响环境与公共健康风险。氯消毒作为最常用的消毒手段，在COVID-19疫情期间被大规模使用，但其对ARGs的影响却存在矛盾：既有研究证明其可通过灭活宿主降低ARGs丰度，也有证据表明亚致死剂量会反而增强耐药性。这种矛盾源于多数研究仅关注基因组水平的变化，或局限于单一菌株分析，难以揭示复杂微生物群落中ARGs的转录活性、宿主动态及传播风险。

为系统解析氯消毒对ARGs的多维度效应，华中科技大学研究团队在《Water Research》发表研究，通过整合宏基因组学（metagenomics）和宏转录组学（metatranscriptomics）技术，对模拟真实氯消毒浓度（0、2、6、10 mg/L）的测序批式反应器（SBR）中活性污泥进行分析。研究首次在群落水平实现从短读长、重叠群（contig）到宏基因组组装基因组（MAG）的多尺度解析，揭示氯消毒剂量与ARGs富集、活化及传播风险的非线性关系。

关键技术方法包括：基于武汉污水处理厂活性污泥构建四组SBR反应器（对照组eg0、低中高氯剂量组eg1-eg3）；通过ARGs-OAP平台（SARG v3.2.1数据库）鉴定ARGs亚型；结合宏基因组/转录组数据分析ARGs丰度、多样性及转录活性；利用MAGs重构宿主-ARGs-可移动遗传元件（MGEs）共现网络；通过二分网络模型解析质粒/染色体水平基因转移（HGT）路径。

Composition and diversity of ARGs and ARG transcripts under different residual chlorine conditions

研究共识别出21类441种ARGs亚型，以β-内酰胺类（147种）、氨基糖苷类（67种）和多药耐药类（57种）为主。低氯组（eg1）较对照组ARGs亚型数量显著增加，而高氯组（eg3）转录多样性降低。值得注意的是，多药耐药、β-内酰胺和四环素类ARGs在低氯条件下转录活性提升最显著，如多重耐药基因acrB和四环素外排泵基因tet(A)表达量倍增。

Low concentration chlorine disinfection treatment promotes the occurrence, diversification, and transcriptional activity of ARGs and their potential hosts

通过宿主溯源发现，病原菌约翰逊不动杆菌（Acinetobacter johnsonii）在氯胁迫下丰度和活性均显著提升。该菌携带多种MGEs（如质粒和整合子），且与非致病菌存在广泛的HGT互作。特别发现氯消毒可能同步促进氯耐药基因（如qacE）与ARGs（如bla_TEM）的共转移，其中Ⅰ型整合子介导的基因盒捕获机制起关键作用。

Conclusion

研究证实低剂量氯消毒通过氧化应激效应激活细菌SOS修复系统，反而促进ARGs转录活性和HGT效率。而高剂量氯虽抑制总体转录多样性，但可能筛选出携带MGEs的持久性病原宿主。该发现警示当前基于余氯浓度的消毒标准存在潜在风险，建议污水处理厂需依据ARGs宿主动态优化氯投加策略，避免形成"低氯促抗性"的恶性循环。

本研究突破传统基因组分析的局限，通过转录组层面揭示功能性耐药风险，为环境耐药性管控提供新维度。未来需开发氯消毒替代技术（如紫外/臭氧耦合工艺），并在实时监测ARGs转录活性的基础上建立动态消毒模型，以阻断耐药基因向病原菌的传播链条。