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为探究氟喹诺酮（FQNs）和重金属对水生生态系统中抗生素抗性维持的影响，研究人员通过微宇宙实验结合宏基因组学，分析其对罗纳河细菌群落及抗性基因（ARGs/MRGs）的作用。发现铜驱动氟喹诺酮抗性的短暂共选择，揭示复合污染对低影响生态系统抗性基因的潜在影响。
抗生素抗性基因（ARGs）在环境中的传播已成为全球公共卫生的重大威胁。随着人类活动向自然水体排放大量药物和工业污染物，水生生态系统正面临氟喹诺酮类抗生素（如环丙沙星、氧氟沙星）与重金属（如铜、锌）的复合污染压力。这些污染物在环境中常以亚抑制浓度（不足以直接杀灭细菌的低剂量）长期存在，但其如何影响细菌群落结构、驱动抗生素抗性的产生与维持，仍是尚未完全阐明的科学问题。特别是重金属是否通过与抗生素的协同作用，促进抗性基因在环境中的扩散，以及低污染水平下生态系统的长期响应机制，亟需深入研究。
为解答上述问题，法国 Claude Bernard Lyon 1 大学等机构的研究人员开展了相关研究，成果发表在《Environmental Microbiome》。研究通过构建实验室微宇宙模型（模拟自然水体环境），将罗纳河（法国里昂段）水样暴露于氟喹诺酮（环丙沙星、氧氟沙星）和重金属（铜、锌）单一或复合污染下，监测 27 天内污染物的持久性、细菌群落动态及抗性基因（ARGs 和金属抗性基因 MRGs）的变化，结合高通量测序和宏基因组学技术，解析污染物与抗性维持的关联机制。
研究主要采用以下技术方法：
- 微宇宙实验设计：设置对照组、抗生素单剂量组、抗生素多剂量组、金属组、抗生素 + 金属组，模拟不同污染场景。
- 污染物定量：利用 LC-MS/MS（液相色谱 - 质谱联用）检测抗生素浓度，ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）测定重金属含量。
- 微生物组分析：通过 16S rRNA 基因测序分析细菌群落多样性，宏基因组测序鉴定 ARGs/MRGs，并组装宏基因组组装基因组（MAGs）追踪抗性基因宿主。
- 统计与关联分析：运用 NMDS（非度量多维尺度分析）、PERMANOVA（置换多元方差分析）及 Pearson 相关性分析，揭示污染物、菌群与抗性基因的关系。
污染物持久性与菌群响应
- 持久性差异：27 天后，氧氟沙星在水体中残留浓度显著高于环丙沙星（单剂量组残留 18.73 ng/mL vs 1.65 ng/mL），铜的残留量（9.6 ng/mL）显著高于锌（仅在金属组检测到 2.8 ng/mL），表明氟喹诺酮的持久性具药物特异性，铜的环境稳定性更强。
- 菌群结构变化：重金属（尤其是铜）对细菌群落组成的影响最显著（PERMANOVA, R2=0.31）。短期（3 天）暴露下，假单胞菌（Pseudomonas）丰度显著增加，且在金属 + 抗生素组中持续富集；长期（27 天）则观察到鞘氨醇杆菌（Sphingorhabdus）等属的优势替代。
抗性基因的选择与宿主追踪
- 金属驱动的抗性共选择：短期（3-6 天）金属暴露显著增加 ARGs 和氟喹诺酮抗性基因丰度，铜抗性基因（cueA）与氟喹诺酮外排泵基因（mexAB-oprM）在假单胞菌 MAG 中共定位，表明铜通过选择携带双重抗性的假单胞菌亚群，介导氟喹诺酮抗性的短暂共选择。
- 抗性基因动态：铜抗性基因（如 cueA）和锌抗性基因（czcA）在金属组中持续富集，而氟喹诺酮抗性基因丰度在 27 天回落，提示金属对 MRGs 的长期选择效应更强，而 ARGs 的维持可能依赖特定菌群的短期增殖。
- 宿主 - 基因关联：假单胞菌 ASV1、ASV25 等亚群与氟喹诺酮抗性基因显著正相关（Pearson 系数 0.6-0.71），其携带的 mexAB-oprM 基因在金属暴露下表达上调，证实该属是抗性基因水平转移的关键载体。
污染协同效应与生态风险
- 复合污染影响：抗生素多剂量组未显著改变 ARGs 丰度，而金属 + 抗生素组在 6 天时 ARGs 丰度最高，表明重金属可能增强抗生素的抗性选择压力，即使在亚抑制浓度下也能通过菌群扰动间接促进抗性基因扩散。
- 机制解析：铜通过诱导氧化应激和细胞膜损伤，可能增强细菌对质粒的摄取能力，同时促进假单胞菌等抗性菌的增殖。而锌的效应较弱，可能与其作为细菌必需元素的双重角色有关。
研究结论与意义：
本研究揭示了淡水生态系统中污染物持久性的化合物特异性，以及重金属（尤其是铜）通过短期选择携带 ARGs/MRGs 的假单胞菌亚群，驱动抗生素抗性的短暂维持。尽管氟喹诺酮残留浓度较高，但其对抗性基因的直接选择作用有限，而铜通过菌群扰动和共选择机制成为更关键的抗性驱动因子。研究结果强调了低水平复合污染对水生微生物组的中长期影响，为评估自然水体中抗生素抗性的环境风险提供了新视角，提示需加强对重金属污染的管控，以遏制抗性基因在 “One Health” 框架下的跨介质传播。未来研究需进一步关注质粒介导的抗性基因转移及低污染环境中菌群 - 抗性基因的长期互作机制。
