影响i/eARGs（一种物质）在畜禽粪便及相关废水中的分布的驱动因素

《Journal of Contaminant Hydrology》：Driving factors for the distribution of i/eARGs in livestock and poultry manure and related wastewater across China

　　

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  在LPMW（ livestock and poultry manure）样本中，高丰度的i/eARGs类型包括sul、tet、bla和erm。
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  i/eARGs的绝对丰度（AA）分别为10³–10¹²拷贝/毫升和10²–10¹⁰拷贝/克。
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  内在的分子和生物学特性会影响i/eARGs的分布和交换。
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  外部因素会影响i/eARGs的环境抗性。
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  eDNA提取方法和定量方法会影响i/eARGs的评估结果。

引言

自1928年亚历山大·弗莱明发现青霉素以来，抗生素在人类社会中发挥了极其重要的作用，帮助人类、牲畜和家禽抵抗细菌感染（He等人，2020年；Nicolaou和Rigol，2018年）。2023年，全球抗生素市场的规模达到了397.3亿美元（Hutchings等人，2019年）。根据Fortune Business Insights的预测，抗生素市场的规模将从2024年的406.6亿美元增长到2032年的518.8亿美元，表明对抗生素的需求将持续增长（Fortune Business Insights，2025年）。自2010年以来，中国已成为世界上最大的兽用抗生素生产和消费国（T. Yu等人，2023a）。2013年，中国的抗生素总产量达到了162,000吨，其中大部分用于畜牧業（Jian等人，2021年）。实际上，只有大约30%的抗生素能够被动物吸收利用，因此大部分抗生素未被吸收，最终随粪便和相关废水排放到环境中（Adegbeye等人，2024年；Jia等人，2017年；Shao等人，2021年；L.-J. Zhou等人，2013年）。环境中的抗生素残留物可能导致抗生素耐药性细菌（ARB）的发展以及抗生素耐药基因（ARGs）的广泛传播（Apreja等人，2022年；Barathe等人，2024年；Larsson和Flach，2022年）。

随着ARB的增殖，ARGs的垂直基因转移（VGT）在同类物种之间不可避免地发生（X. Shi等人，2022年）。ARB的死亡和裂解会将部分细胞内的ARGs（iARGs）释放到环境中，从而将其转化为细胞外的ARGs（eARGs）。iARGs和eARGs共同构成了环境耐药组（P. Dong等人，2019a）。与iARGs相比，eARGs可以吸附在土壤和各种沉积物上，这提高了它们的热稳定性和核酸酶稳定性，由于它们的持久性和水平基因转移（HGT）潜力，对环境造成了更大的影响，特别是在畜牧和家禽粪便及相关废水（LPMW）中（Nguyen等人，2021年；S. Zhou等人，2019年）。值得注意的是，大多数常规处理方法在减少ARGs的绝对丰度（AA）方面效果有限，有些方法甚至会导致其倍数扩增（L. Xu等人，2022年）。因此，即使经过处理，LPMW仍然是ARGs的重要储存库。这些处理不充分的LPMW可能通过有机肥料的使用、农业灌溉或直接排放污染河流、湖泊和土壤等水生系统（Lei等人，2024年；Sanz等人，2022年）。ARGs最终会通过食物链和饮用水在生物体内累积，对生态系统以及人类、牲畜和野生动物的健康构成重大风险。

到目前为止，人们对LPMW环境中的ARGs给予了很多关注，但仅对iARGs和eARGs进行了有限的区分。在猪废水入口处，iARGs（如、和）的AA为10⁸–10⁹拷贝/毫升，而eARGs的AA仅为10⁵–10⁶拷贝/毫升（Sui等人，2019年）。同样，在猪粪便中，iARGs（如、和< />）的AA达到10⁹–10¹¹拷贝/毫升，而eARGs为10⁴–10⁸拷贝/毫升（P. Dong等人，2019a）。此外，在牛场废水中检测到的iARGs（如、）的浓度为10⁷拷贝/毫升，而eARGs为10⁵拷贝/毫升，均比猪废水中的浓度低1到2个数量级（Liang等人，2022年）。有趣的是，另一项研究在猪废水中报告了相反的情况，其中eARGs（如和）的AA分别为8 × 10⁸和2.4 × 10⁹拷贝/毫升，明显高于相应的iARGs的2.5 × 10⁸和1.1 × 10⁹拷贝/毫升（Yang等人，2022年）。在鸡粪便中，eARGs（如和）的AA分别为8 × 10⁸和7 × 10⁷拷贝/克，而iARGs仅为1 × 10⁸和3 × 10⁷拷贝/克（W. Liu等人，2024年）。这些研究表明，来自不同样本来源的粪便或废水中的i/eARGs的AA存在显著差异。此外，对于eARGs而言，方法学偏差尤为明显，例如不同的细胞外DNA（eDNA）提取方法（Sui等人，2019年；Xin等人，2024年）和定量方法（Colomer-Lluch等人，2011年；C. Liu等人，2022年）。eDNA容易吸附在环境颗粒上或在纯化过程中降解，使其分离结果对程序细节非常敏感。例如，Zhang等人使用质粒DNA作为研究对象，发现冻干方法的回收效率为83%，而乙醇方法和CTAB方法的回收效率不超过10%（S. Zhang等人，2024a）。提取方案之间回收效率的显著差异甚至可能导致报告的eARGs AA出现数量级的变化。同样，PCR化学试剂的选择、引物设计和标准曲线的制备也会进一步放大这些不一致性（J. Shi等人，2023年；Z. Zhao等人，2020年）。例如，针对较长扩增子的检测方法可能会由于eDNA的碎片化特性而系统性地低估eARGs的丰度。这将干扰管理方法和环境风险评估的评估。

因此，本综述的目的是从以下方面总结影响LPMW中i/eARGs丰度和传播的主要因素：（1）全面比较不同LPMW样本中高频率出现的i/eARGs的AA；（2）内在的分子和生物学特性、外部因素以及方法学影响对LPMW中i/eARGs丰度的影响。本综述将为探索i/eARGs去除技术和环境风险消除提供理论支持。

章节片段

LPMW样本中iARGs和eARGs的丰度

为了表征不同LPMW样本中i/eARGs的丰度，我们查阅了Web of Science、PubMed和Scopus等数据库中的文献，并总结了过去十年LPMW样本中报告的ARGs的AA（图1）。LPMW环境中常见的ARGs亚型主要包括磺胺类药物耐药基因（、）、四环素耐药基因（、、、、、、、）以及大环内酯-林可霉素-链霉素（MLS）耐药基因（<>

内在的分子和生物学特性

内在的分子和生物学特性是决定iARGs和eARGs在LPMW环境中不同分布和持久性的主要因素。这些特性可以大致分为四个相互关联的方面：（1）遗传位置，决定了ARGs进入细胞外池的初始潜力；（2）序列和结构特征，包括片段大小、G+C百分比以及二级结构，这些特征赋予了不同的耐药性

展望

目前关于畜牧和家禽相关环境中ARGs的研究主要集中在iARGs上。相比之下，由于现有技术无法完全根除eARGs，因此eARGs具有更大的环境传播潜力。减少eARGs的丰度并通过MGEs抑制HGT是未来的主要研究方向。然而，eARGs对人类栖息地的安全阈值目前尚无定论。

结论

本综述系统地总结了过去十年中国LPMW中i/eARGs的丰度。在大多数情况下，iARGs的丰度高于eARGs。LPMW中iARGs和eARGs的AA范围分别为10³–10¹²拷贝/毫升和10²–10¹⁰拷贝/克。畜牧和家禽相关环境中i/eARGs的丰度受到多种因素的影响，包括内在的分子和生物学特性、外部因素以及方法学评估。

CRediT作者贡献声明

Yuru Zhao：撰写——审稿与编辑。 Wenjie Zhang：撰写——审稿与编辑，初稿撰写，监督，资源提供。 Siyu Chen：方法学研究，数据分析。 Ting Ma：资源提供，方法学研究。 Xiaoqin Li：撰写——审稿与编辑。 Shunluo Liu：撰写——审稿与编辑。 Yue He：撰写——审稿与编辑，初稿撰写。 Ting Xu：方法学研究。 Xiangkai Li：监督，资源提供。 Bin Liang：撰写——审稿与编辑。 Hui Yun：撰写——审稿与编辑，

出版同意

所有作者同意发表。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52170188和323B2004）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的工作。

Yuru Zhao|Wenjie Zhang|Siyu Chen|Ting Ma|Xiaoqin Li|Shunluo Liu|Yue He|Ting Xu|Xiangkai Li|Bin Liang|Hui Yun