通过建筑物层面的废水分析追踪与年龄相关的抗生素耐药性模式

《ACS ES&T Water》：Tracking Age-Linked Antibiotic Resistance Patterns through Building-Level Wastewater Analysis

抗药基因（ARG）和移动遗传元件（MGE）的年龄相关差异通过建筑级废水基流行病学在西班牙Girona的三类人群（学龄儿童、大学生、老年人）中研究发现，小学生废水ARG丰度最高，老年人ARG多样性最显著，且ARG与人类肠道菌群相关属（如Bifidobacterium）及特定MGE（如IS1380）强关联，验证了建筑级WBE在监测社区耐药动态中的潜力。

　　本研究通过应用建筑级别的废水流行病学方法，分析了不同年龄段人群在城市环境中的抗微生物耐药基因（ARGs）和可移动遗传元件（MGEs）的分布情况。研究地点包括西班牙加泰罗尼亚地区的吉罗纳市，选取了三类具有代表性的建筑：一所小学（School）、一所大学宿舍（UnivRes）和一所老年护理机构（ElderlyRes）。这些场所分别代表了儿童、年轻人和老年人这三个主要年龄段的人群，研究旨在揭示不同年龄群体对AMR传播的影响，并为城市环境中AMR的监测和干预策略提供科学依据。

人类肠道被认为是ARGs的主要储存库，而抗生素的使用无论是出于治疗目的还是环境暴露，都会对肠道细菌施加选择压力，从而促进耐药基因的增殖与交换。这些携带耐药基因的细菌及其遗传物质会通过排泄进入废水系统，进而可能通过水体传播到环境中，成为全球AMR负担的一部分。因此，了解AMR在不同人群中的分布情况对于制定针对性的干预措施至关重要。年龄因素通过多种机制影响个体的微生物群落结构，包括免疫系统的成熟度、抗生素使用频率、饮食习惯以及医疗行为等，这些因素共同塑造了不同年龄群体的肠道微生物特征，进而影响其耐药基因的组成和多样性。

研究采用被动采样技术（即所谓的“torpedo”装置）收集废水样本，这种技术最初用于SARS-CoV-2的监测，现在被扩展用于进行宏基因组分析。通过这种方法，研究人员能够获得时间整合的样本，从而更准确地反映特定建筑内人群的微生物特征。采集的样本随后被运输至实验室，在低温条件下保存并进行DNA提取。提取的DNA通过Illumina测序技术进行分析，生成大量的基因序列数据，并在国家生物技术信息中心（NCBI）的SRA数据库中公开。

研究发现，不同建筑内的废水样本在ARGs和MGEs的相对丰度和多样性方面存在显著差异。小学的废水样本中ARGs的丰度最高，而老年护理机构的样本中ARGs的多样性最为丰富。这一现象可能与儿童和老年人群体中抗生素的使用频率较高有关，尤其是在儿童群体中，频繁的感染和预防性抗生素治疗可能促进了耐药基因的积累。相比之下，年轻人的抗生素使用模式可能更为特定，例如用于治疗严重痤疮或性传播疾病，这可能解释了其样本中某些特定类型的耐药基因更为常见。此外，研究还发现，某些细菌种类，如与人类肠道相关的菌群，其与ARGs的关联性更强，这表明这些菌群可能是耐药基因的主要载体，而非环境来源的细菌。

研究中还探讨了ARGs与MGEs之间的相互作用。通过构建关联网络，研究人员发现某些ARGs与MGEs之间存在显著的正相关性，特别是与插入序列（IS）家族相关的元件，如IS3、IS21和IS1380，以及多药外排基因（如adeJ、adeK、smeR和mexW）之间的关联。这些发现表明，MGEs可能在耐药基因的传播中起到关键作用，尤其是在环境样本中，这些基因可能通过MGEs的机制进行水平转移。然而，这一现象在某些参考基因组中并未被观察到，因此需要进一步研究以明确其在实际环境中的作用机制。

研究还指出，尽管某些ARGs在样本中表现出较高的丰度，但它们的分布并非完全均匀。例如，一些与特定抗生素家族相关的耐药基因在样本中并未占据主导地位，而是以较均匀的方式分布。这可能意味着，这些基因的耐药性虽然普遍存在，但没有单一的基因在所有样本中占据主导地位。此外，某些耐药基因，如与MLS家族相关的ermB基因，主要出现在老年护理机构的样本中，而其他耐药基因则在小学和大学宿舍的样本中更为常见。这种差异可能反映了不同年龄段人群在抗生素使用、感染类型以及医疗环境中的不同特征。

研究中还发现，某些与人类肠道相关的细菌种类在不同建筑中的相对丰度存在显著差异。例如，小学的样本中以Acinetobacter johnsonii为主导，而老年护理机构的样本中则出现了更多与肠道无关的细菌种类，如Selenomonas ruminantium和Lactococcus lactis。这表明，废水样本不仅反映了人类肠道微生物的组成，还包含了来自环境和动物源的微生物。因此，在解读废水中的微生物数据时，需要考虑多种来源的贡献，而不仅仅是人类排泄物。

通过K-means聚类分析，研究人员发现，不同建筑内的样本能够被有效区分，说明这些场所的微生物特征具有一定的稳定性。同时，研究也指出，虽然某些ARGs在样本中表现出较高的丰度，但它们的多样性可能受到多种因素的影响，包括个体内部的微生物群落差异和整个群体的抗生素使用模式。例如，老年人由于长期接触多种抗生素，其肠道微生物群落可能更为复杂，从而导致ARGs的多样性增加。而儿童由于其肠道微生物尚未完全发育，可能更容易受到抗生素的直接影响，导致ARGs的丰度上升。

此外，研究还评估了ARGs的潜在风险，并根据Shuai等人的风险等级分类系统，对不同建筑中的ARGs进行了分类。结果显示，大学宿舍的样本中具有较高比例的高风险ARGs，尽管其总体ARG丰度低于其他两个建筑。这一现象可能与年轻人群体中某些特定抗生素的使用有关，但同时也提醒我们，在比较不同建筑的ARGs风险时，需要考虑其相对丰度和绝对数量之间的关系，避免因单一指标而得出错误的结论。

研究还发现，某些ARGs与特定的细菌种类存在高度的正相关性，这表明这些细菌可能是耐药基因的主要携带者。例如，Bifidobacterium与ileS基因（赋予对莫匹罗星的耐药性）之间存在显著的正相关关系，而Pseudomonas与多药外排基因（如MexB）之间的关联也较为明显。这些发现不仅有助于理解ARGs的传播机制，还为未来研究提供了方向，即通过识别关键的细菌种类，可以更有效地追踪和管理AMR的传播。

总体而言，本研究通过建筑级别的废水流行病学方法，揭示了不同年龄群体在城市环境中的AMR特征。这些结果不仅与临床研究中的发现相呼应，还为非侵入性的、大规模的AMR监测提供了新的视角。同时，研究也强调了在进行废水分析时，需要综合考虑多种因素，包括抗生素使用模式、环境输入以及微生物群落的多样性，以确保数据的准确性和代表性。未来的研究应进一步扩大样本范围，整合临床数据和抗生素处方信息，从而更全面地评估AMR的传播路径，并为制定有效的公共卫生干预措施提供科学支持。