综述：浮游抗生素抗性基因穿梭机：浮游动物作为跨空间和食物网中被忽视的载体

《Microbial Ecology》：Pelagic Shuttles of Antibiotic Resistance Genes: Zooplankton as Overlooked Vectors Across Space and Food Webs

本综述聚焦水生环境中被长期忽视的抗生素抗性基因（ARGs）传播载体——浮游动物。文章系统阐述了吞噬性原生动物（phagotrophic protists）作为微反应器加速水平基因转移（HGT）的机制，以及后生浮游动物（metazooplankton）作为移动储库和载体在食物网及水层中传播ARGs的作用。作者强调将浮游动物纳入ARGs常规监测、量化生物膜介导的交换以及控制共选择性污染物，对于从“One Health”视角管理抗性基因传播至关重要。

　　

浮游抗生素抗性基因穿梭机：浮游动物作为跨空间和食物网中被忽视的载体

引言

抗生素抗性基因（ARGs）已成为最普遍的人为污染物之一，其对公共卫生的威胁日益严峻。水生系统作为ARGs的储库和进化场所，以及微生物遗传物质的远距离传输通道，扮演着关键角色。在浮游食物网中，浮游动物处于核心营养位置，它们创造的高密度微环境——如外骨骼、摄食流、肠道和沉降粪粒——极大地促进了微生物间的相互作用。尽管浮游动物被认为是“微生物热点”，但它们在塑造ARGs生物地理格局中的作用在当前监测项目中仍被严重忽视。传统观点认为原生动物和后生动物的消化腔是摄入细菌及其基因的生态死胡同，但新证据表明，这些微环境可能显著促进ARGs的周转和传播。

吞噬性原生动物：水平基因转移的微反应器

吞噬性原生动物产生的紧密包裹的消化或吞噬泡，将供体和受体细菌压缩到超过10⁹ cells mL^-1的密度，创造了极端的微反应器环境。虽然大部分摄入的生物量被降解，但仍有部分猎物细胞和新形成的接合子可以存活足够长的时间，通过排泄或原生动物死亡后被释放出去。此外，液泡内广泛的裂解释放的胞外DNA可被感受态细菌同化。

实验证明，在四膜虫（Tetrahymena pyriformis）的液泡内，接合质粒RP4从大肠杆菌（Escherichia coli）转移到多种γ-变形菌受体的频率比周围介质中高出一到两个数量级。类似地，编码bla_NDM-5的质粒在纤毛虫液泡内可从大肠杆菌转移到其他临床相关病原体，并在短时间孵育后回收得到接合子。对于β-内酰胺酶和氟喹诺酮耐药质粒也观察到类似现象，在纤毛虫液泡中的单次转移率可达每供体10^-5。

环境背景深刻调节着这些过程。在厌氧或低氧条件下（如废水生物膜中），原生动物的消化过程变慢，这延长了接合发生的窗口期；低氧化还原电位的废水条件可使接合转移频率比好氧对照提高近一个数量级。氧化应激可刺激细菌的SOS反应，上调接合机制并增强HGT。此外，低浓度的重金属（如铜和银）可共诱导大肠杆菌的ROS和SOS通路，显著增加多重耐药质粒的接合转移。然而，当原生动物积极捕食生物膜时，它们也可能通过破坏细胞间接触来抑制ARGs的传播，这表明吞噬性原生动物在抗性组动态中扮演着双重角色——既可放大也可减缓ARGs的传播。

后生浮游动物：食物网中的移动储库和载体

甲壳类浮游动物主要在三个基质上富集细菌及其ARGs：几丁质外骨骼、肠道上皮和快速沉降的粪粒。对连续浮游生物记录仪（CPR）样本长达41年的跨断面分析显示，在富含桡足类的拖网样本中，I类整合酶intI1和磺胺标记基因sul2的检出率分别高达76%和48%。在塞纳河口，附着在哲水蚤上的气单胞菌（Aeromonas）种群与自由生活的分离株相比，呈现出独特的基因型和表型耐药模式，表明宿主表面是选择和基因交换可同时发生的避难所。

浮游动物体内的富集并非生态死胡同。一个连接粪肥改良池塘水至大型溞（Daphnia magna）→鳙鱼（Aristichthys nobilis）食物链的中宇宙实验揭示了14种ARGs的逐步生物富集过程；四个基因位点（tetM-01, tetX, qnrS, sul2）的浓度从水体到溞类肠道，再到鱼类肠道显著增加，而共现网络分析确定intI1/intI2是转移中的枢纽。机制证据来自肠道通过接合实验：在摄食后四小时内，耐万古霉素粪肠球菌（Enterococcus faecalis）供体可在大型溞和蚤状溞（D. pulex）肠道内将vanA操纵子转移给利福平标记的受体，产生双重耐药的接合子。这些研究共同证明，枝角类和桡足类等后生浮游动物可通过其食物网相互作用，显著增加具有商业价值鱼类体内多重耐药细菌的流行度，从而充当抗性基因的主动载体而非被动携带者。

后生浮游动物相关ARGs的生态影响不仅取决于宿主特性，还受行为和物理化学背景的调控。昼夜垂直迁移将附着的微生物群落及其相关的抗性组重新分布到水柱中数十至数百米的深度，而粪粒串的产生和沉降则将密集的细菌组合输送到更深、通常为缺氧的水层。这些过程为ARGs跨越原本稳定的氧化还原边界并播种到中层带群落提供了通道。除了物理传输，移动遗传元件（MGEs）的局部丰度和环境压力（如金属、消毒剂、缺氧）可能调节抗性组组成和HGT速率，这有助于解释浮游生物相关ARG信号中观察到的空间异质性。

讨论与展望

新兴文献汇聚成一个统一的框架：吞噬性原生动物作为强化HGT的生物化学反应器，而后生浮游动物则作为在营养级和水文通道中积累、保护和传播ARGs的物理穿梭机。这一双重角色得到了受控实验室实验、中宇宙食物链设置和长期海洋档案的支持。

浮游动物最终是减缓还是放大耐药性，取决于它们与微生物相互作用的净生态结果。捕食可以通过破坏生物膜和接触网络、降低HGT速率来减少病原体丰度；相反，消化液泡和缺氧肠道环境可以创造接合转移热点，其HGT频率通常高于 bulk water。环境压力因素——包括温度异常、痕量金属和亚致死消毒剂暴露——可通过增强MGEs的稳定性和交换来进一步改变这种平衡。

从“One Health”视角出发，将浮游动物纳入ARGs监测是对现有监测框架有力且日益可行的扩展，而非纯粹的学术完善。滤食性浮游动物能将细菌生物量及相关污染物相对于周围水体富集数个数量级，有效地充当哨兵物种。常规的浮游生物网采样，结合定量PCR（qPCR）、微滴数字PCR（ddPCR）或靶向宏基因组学，可以整合到海岸带监测项目和压载水检查中，将intI1和sul2等哨兵标记物在浮游动物相关组分中进行量化，而不仅仅是在 bulk water 中。由于浮游动物可以在废水源耐药细菌和共选择性污染物在周围水体或鱼类组织中达到问题阈值之前就容纳它们，因此此类测量可为ARGs负荷升高和“定时炸弹”暴露情景提供早期预警。

一个主要的知识缺口涉及浮游动物相关生态位中病毒和囊泡介导的ARGs。噬菌体、质粒-噬菌体杂合体和胞外囊泡越来越被认为是ARGs传播的驱动因素。然而，它们在桡足类肠道、颗粒附着生物膜和沉降粪粒中的定量作用在很大程度上仍是未知的。

综合来看，三条保守的、基于数据的证据链表明了实质性的风险。首先，源头的流行率很高：英吉利海峡和北海63%-88%的浮游动植物样本携带intI1和/或sul1，CPR档案在历史浮游生物拖网样本中检测到intI1和sul2的比例分别为76%和48%。其次，营养级转移已被实验证明：在中宇宙实验中，14种ARGs的丰度从水体到溞类肠道再到鱼类肠道逐步增加，intI1/intI2充当网络枢纽；vanA接合在溞类肠道内数小时内即可发生。第三，暴露界面是巨大的：压载舱和港口沉积物中sul1的丰度可达10⁸-10⁹ copies g^-1，且intI1常超过磺胺类标记基因，压载水排放会提高受纳水体的ARGs负荷；而与水产养殖相关的病原体，如气单胞菌、假单胞菌（Pseudomonas）和弧菌（Vibrio），常携带多重耐药基因。此外，迁徙的中型浮游动物生物量提供了持续的吞吐量——全球范围内，中型浮游动物每年产生约4.2 Gt C的生物量和约6.2 Gt C的粪粒——因此，即使不清楚每个粪粒中精确的ARG拷贝数，营养级转移的动态和快速的肠道通过接合也凸显了在暴露于压载水交通、废水或变暖引起的缺氧的水产养殖点进行优先监测的必要性。

总之，浮游动物介导的ARGs传播代表了一个可信的、可量化的“One Health”风险。减缓措施需要：（i）将浮游动物纳入ARGs监测网络；（ii）规范水产养殖和港口环境中的共选择性污染物；（iii）投资于解析接合、病毒和囊泡介导途径的研究。更强有力的生态和临床监测整合对于将机制转化为管理方案至关重要。