不同水动力条件下水生生态系统中的抗生素耐药性概况及相关因素

《Environmental Research》：Antibiotic resistance profiles and associated factors in aquatic ecosystems with contrasting hydrodynamic settings

　　• ARGs的潜在关联因素随不同水文动力条件的差异而显著不同。• 动力水体表现出与宿主群落相关的ARG传播模式。• 缓流水体表现出与抗生素胁迫相关的ARG传播模式。• MGEs是两种水生生态系统中ARG变化的关键关联因素。• 磺胺单甲基氧与湿地ARG变化的关联最强。## 引言抗菌素耐药性（AMR）越来越被认为是一个重大的环境和公共卫生问题，抗生素抗性基因（ARGs）目前也被广泛视为水生态系统中的新兴污染物（Elder et al., 2021）。近年来，越来越多的研究人员主张从"同一健康"视角来应对细菌耐药性问题，该视角强调AMR可以跨人类、动物和环境区室传播（Al-Khalaifah et al., 2025）。水生生态系统作为AMR传播的核心枢纽，来自临床废物、畜牧业和市政废水中的AMR污染物被持续排放到地表水中。人类随后可能通过饮用水或直接接触暴露于ARGs和耐药病原体，从而建立了一条由水文循环介导的完整传播途径（Wang S. et al., 2024）。因此，研究ARGs在水生生态系统中的归趋与行为是遏制全球AMR危机的关键一步。在过去几十年中，通过废水排放和其他人为活动，大量抗生素、微生物和可移动遗传元素（MGEs）被释放到水生生态系统中（Guo et al., 2017），深刻改变了ARGs的发生与传播。对废水排放口上下游的比较研究证实，出水中耐药菌（ARB）是受纳水体ARG污染的主要来源，源解析分析量化其贡献率高达60.6%–91.8%（Wu et al., 2023）。淡水水库的宏基因组谱分析进一步确认了MGEs在ARG传播中的关键作用（Li et al., 2022）。此外，一些微宇宙试验表明，抗生素胁迫显著促进了MGEs和ARB的增殖，直接影响ARGs的丰度和多样性（Guo et al., 2022）。在这些决定因素中，残留抗生素对细菌群落施加选择性压力，MGEs介导水平基因转移以加速ARGs扩散，而微生物群落则与潜在ARG宿主的分布相关（Singh et al., 2022; Wang S. et al., 2024）。因此，ARGs的环境动力学从根本上由抗生素选择、微生物群落以及MGE介导的水平基因转移之间的耦合作用所决定。为考察ARG变化的关联因素，结构方程模型（SEM）已被广泛应用于系统解构农业和森林土壤中复杂的环境相互作用（Han et al., 2018; Hu et al., 2018）。然而，不同水生生态系统中ARG变化的关键关联因素及其相对关联关系仍有待充分解析。水文动力条件可能影响水生生态系统中抗生素、微生物群落、MGEs和ARGs的分布，但动力河流与缓流湿地之间ARG相关生态风险模式的差异仍了解不足。钱塘江等动力河流具有高流速和强水体混合特性，这些特征有助于污染物快速扩散并降低局部选择性压力，从而间接影响ARGs的动态变化。相比之下，西溪湿地等缓流水体系以低流速和较长水力停留时间为特征，可能促进抗生素积累并对ARGs维持长期选择性压力（Ma et al., 2022）。除了不同水生生态系统的水文动力特征差异外，水文扰动还可以直接影响ARGs的传播。水文扰动不仅可以影响颗粒相关载体在不同生境间的迁移，还可促进ARB从颗粒脱离进入水柱。这一过程大大增加了水中浮游ARB和ARGs的丰度（Ding et al., 2024）。先前的实验室研究表明，湍流强度——作为水文扰动的重要特征——可以影响ARGs的转移。低湍流降低了供体细胞与受体细胞之间的碰撞率，而过高的湍流则会破坏细胞配对稳定性并抑制抗生素耐药质粒的接合转移（Sun et al., 2022）。此外，与静态水环境相比，适当的湍流可使质粒转移频率提高多达五倍（Zbinden et al., 2025）。先前的研究提示，水文动力学可能影响抗生素、微生物宿主和MGEs之间的相互作用，而这些均与ARG变化相关。然而，目前仍少有比较研究阐明了不同水文动力条件下这些关键因素对ARGs动态贡献的差异。这也显示了本研究的研究意义，即以前江和西西湿地作为研究对象。本研究对具有对比水文动力条件的两种水生生态系统进行了比较调查，包括一条动力河流（钱塘江）和一片缓流湿地（西溪湿地）。采用UPLC-MS/MS和宏基因组测序技术对两种生态系统中抗生素、ARGs和MGEs的发生情况进行了表征。运用包括相关性分析、随机森林建模和结构方程模型在内的多元统计方法，考察两种生态系统中ARG变化的关联因素。本研究旨在揭示不同水文动力条件下ARG关联因素的区别，并支持不同水生环境中ARGs的针对性控制和风险管理。## 章节片段### 采样与预处理钱塘江是一个典型的河流系统，以相对较高流速（流域平均：0.60 m/s）和强水体混合为特征，而西溪湿地是一个缓流水生态系统，流速较低（流域平均：0.05 m/s）且水力停留时间更长。在本研究中，"对比水文动力条件"主要指两种生态系统之间的流域平均流速差异。其他水文参数，包括径流量、### 理化特征与抗生素发生情况钱塘江和西溪湿地在若干理化参数上存在显著差异（表S3）。钱塘江呈弱碱性（pH 7.65–9.20），溶解氧浓度较高（5.48–10.59 mg/L），且浊度变化明显，而西溪湿地的溶解氧浓度较低（2.83–5.67 mg/L），电导率较高（192.0–310.2 μS/cm），浊度水平相对稳定。同时，两种水生生态系统还表现出显著的对比……### 结论在水文动力条件迥异的水生生态系统中，ARGs丰度、病原体谱及ARG潜在关联驱动因素呈现出不同的模式。动力河流具有更高且分布更均匀的ARGs丰度，而缓流湿地则表现出较低的ARGs水平并具有显著的空间异质性。病原菌对河流微生物群落的贡献更为显著，而湿地的病原体比例较低且更均一。### 资助我们感谢国家自然科学基金（批准号：U24A20520、U24A20517和22376097）、浙江省"领雁"研发计划（批准号：2024C03131）以及浙江省自然科学基金（LMS26B070002）的经费支持。### CRediT作者贡献声明**王健浩：** 撰写——初稿，可视化，调查，正式分析。**林泽君：** 撰写——审阅与编辑，验证，调查，正式分析，数据管理。**王雨馨：** 调查。**李娜：** 监督，经费获取。**杨健：** 调查。**卢坤：** 撰写——审阅与编辑，方法论，调查，经费获取。**王梅珍：** 撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，经费获取，概念化。### 利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。王健浩｜林泽君｜王雨馨｜李娜｜杨健｜卢坤｜王梅珍