《Environmental Microbiology》：Dynamics of Antimicrobial Resistant Bacteria in Water Environments: Risks via Surface Waters and Combating Strategies
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水维系着所有生命系统，维持人类、动物和环境健康。然而，作为开放系统，地表水高度暴露于微生物和化学污染物（包括抗菌剂）之中。这些污染物对密集排列的细菌基因组施加选择压力，驱动导致适应的突变。本综述探讨了抗生素耐药菌（antibiotic-resistant ba
水维系着所有生命系统，维持人类、动物和环境健康。然而，作为开放系统，地表水高度暴露于微生物和化学污染物（包括抗菌剂）之中。这些污染物对密集排列的细菌基因组施加选择压力，驱动导致适应的突变。本综述探讨了抗生素耐药菌（antibiotic-resistant bacteria, ARB）在水生环境中出现和持续存在的动态及其关键驱动因素。本文阐述了经典和新颖的水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）机制，范围从接合、转导和转化延伸至外膜囊泡、基因转移因子和细胞间纳米管。这些机制促进了抗生素耐药基因（antibiotic resistance genes, ARGs）在水生系统（包括淡水水源）中的进化、分布和稳定持续。此外，本综述概述了地表水污染物及其在环境中以及通过淡水食物网食物消费、饮用水和动物产品产生的生物放大风险。最后，本综述讨论了潜在的缓解策略，重点介绍了先进处理技术、人工湿地以及利用水生大型植物（如凤眼莲）、微藻和噬菌体修复的生物防治方法，同时探讨了安全性、适用性和可扩展性方面的关切。与“一体化健康”（One Health）框架相一致的管理计划对于缓解这些全球风险仍然至关重要。
1 地表水源
地表水包括地球上所有液态或固态但开放于大气中的天然水体。其中，存在于海洋、海域及部分河流带的咸水占全球地表水的97.5%，其余2.5%为淡水。约68.7%的淡水被局限于冰川，30.1%被局限于含水层。仅有1.2%以地表水形式存在于湖泊、河流、溪流、沼泽及水库、水坝、池塘和湿地等人工蓄水体中，可供人类使用。然而，由于对空气开放，地表水接收径流，因而高度暴露于工业废物、动物养殖场、临床废物和处理厂出水等自然或人为产生的复杂污染物负荷。因此，这些水体系统需加以保护，饮用水源应采用严格的处理技术和定期监测系统，以确保最终消费者的安全。
2 地表水污染物及其潜在风险
抗菌剂残留物通过多种来源进入环境，包括畜牧养殖场、临床场所、制药工业和污水系统。未经处理直接或间接排放至地表水的废水对陆生和水生生物多样性构成潜在风险。风险严重程度受人为影响类型（决定污染物特性）和季节（可放大影响）的影响。例如，雨季径流将各种污染源的废物冲入地表水系统，增加了从事日常灌溉和农业活动的农民接触粪便大肠菌群、大肠杆菌和肠球菌等微生物负荷的风险。定量微生物风险评估估计，地表水是疾病发生的主要贡献者，免疫功能低下的儿童感染风险更高。抗生素残留物被植物吸收后干扰光合作用、氧化应激反应和作物产量等关键生理过程。此外，这些残留物在植物组织中的生物累积通过植物性食物链的生物放大作用构成长期健康风险。在人体或动物体内，抗生素残留物触发选择压力，驱动ARGs的发展。共存污染物如重金属（HMs）、除草剂和微塑料可改变土壤微生物群基因组，威胁土壤肥力，并可通过食物网和地表水系统导致人类遗传突变、神经紊乱、器官功能障碍和癌症。持续受土壤抗性组、医院和屠宰场废物污染的地表水系统成为ARB、ARGs、可移动遗传元件（MGEs）和药物残留的主要枢纽。人类通过饮用水、水上运动、沐浴以及食用经再生水灌溉的食品而暴露于这些污染物。
3 细菌基因组结构
细菌基因组通常由双链单倍体染色体组成，少数细菌属存在多倍体例外。全基因组测序（WGS）研究显示约10%的细菌基因组含有次级染色体，即历史上所称的巨大质粒，现定义为chromid。Chromid携带必需核心基因，其核苷酸组成和密码子使用谱与主染色体高度相似，但依赖质粒型复制和分配系统，主要编码附属功能。典型细菌基因组包含2–8兆碱基的单环状染色体，需经过高达1000倍的线性压缩以适应核区。这种空间压缩以有序、分层的方式进行，各种结构域将染色体DNA组织成拓扑绝缘的超螺旋片段。染色体相互作用域（CIDs）与核相关蛋白（NAPs）、结构维护染色体（SMC）凝聚素复合物、拓扑异构酶和转录机制协同维持细菌基因组的结构组织。超螺旋使双链DNA分子通过DNA旋转酶（引入负超螺旋）和拓扑异构酶I（松弛超螺旋）的相反活性以螺旋状折叠。NAPs以规则间隔与超螺旋DNA相互作用，产生弯曲和桥接。随后，SMC凝聚素复合物通过其ATP驱动的分子马达主动卷入DNA纤维，驱动环挤出。缺乏这些蛋白的细菌细胞表现出严重的染色体分离缺陷。与真核基因组不同，细菌基因组密集排列功能基因，基因间空间极小。点突变更可能直接影响适应性。面对环境胁迫时，细菌采用多种进化策略：瞬时超突变、HGT和自然选择。多样性生成逆转录元件（DGRs）通过易错逆转录驱动进化，诱导靶向超突变。
4 ARB动态的驱动力
来自亚致死剂量抗菌剂和非抗生素化合物（如HMs、杀菌剂、除草剂和化疗药物）的持续环境污染对细菌群落施加显著选择压力，触发应激反应，这是AMR的关键驱动因素。
4.1 抗生素实践污染
全球抗生素消费量显著增加。不合理应用如作为生长刺激剂和饲料添加剂增加了对敏感菌株的选择压力，促进ARGs的出现。广谱抗生素类别用于人类和兽医医学，主要区别在于剂量和给药途径。氟喹诺酮类、粘菌素和大环内酯类对人类感染治疗至关重要，却常用于牲畜治疗，对人类健康构成直接威胁。2016至2023年间，中低收入国家（LMICs）人类抗生素消费量上升18.6%，高收入国家下降4.9%。抗生素消费与AMR流行直接相关。给药后，抗生素常经历不完全代谢，活性未代谢残留物通过废物排入水生环境。当细菌遇到抗菌剂时，可能产生耐药或耐受两种结果。耐药细胞在等于或低于最低抑菌浓度（MIC）的抗生素剂量下存活并再生长。耐受持久细胞通过进入暂时休眠状态逃避抗菌效应。亚抑制浓度选择耐药变异体、加速HGT并刺激改变药物靶位点或上调外排泵的从头突变。全球医疗保健抗生素消费预计从2023年的493亿每日限定剂量上升至2030年的751亿，兽用抗生素使用预计增加8%。
4.2 重金属污染
HMs分为必需HMs（在极低浓度下具有生物学作用）和非必需HMs（无已知生物学作用，即使在痕量水平也有毒）。两者超过标准阈值后均对生物体有毒。细菌细胞中HMs过量积累触发活性氧（ROS）产生，诱导氧化应激，导致结构DNA损伤和代谢过程改变。HMs的离子半径和电荷与必需营养素相似，细菌通过ATP驱动的营养摄取系统错误导入这些有毒元素。为生存，细菌进化出三种主要策略：解毒酶合成、外排泵过表达和HM细胞内螯合蛋白合成。重金属抗性基因（HMRGs）与ARGs通过共享遗传和调控途径紧密关联。在污染环境中，HMs通过共选择机制促进细菌抗生素耐药性，包括共抗性、交叉抗性和共调控。共抗性中，编码抗生素和HM抗性的基因物理连接在相同遗传元件上并共转移。交叉抗性中，单一抗性机制（主要是外排泵系统）同时赋予对HM和抗生素的抗性。共调控中，单一调控系统响应环境刺激同时控制不同功能基因的表达。
4.3 环境因素
气候变化通过全球温度升高、降水改变和极端天气改变自然生态系统和微生物动态。升高的环境温度加速细菌增殖和复制速率，增加驱动ARG进化的随机突变概率。热应激诱导细菌群落内的特定生理和遗传适应，包括细胞外排泵激活、热休克蛋白上调和超突变事件。温度变化也调节抗生素效力。气候变化驱动的长期干旱迫使土壤微生物增加天然抗生素产量以竞争日益减少的资源，迫使邻近土壤细菌快速进化新的气候驱动抗性机制。极端干旱加速水体蒸发，浓缩农业径流和药物废物中的痕量抗生素残留。强降雨和洪水事件中，污水管网被破坏，环境污染物被动员，数十亿ARB及其相应基因被冲入地表水系统。全球温度上升还诱导冰冻圈退化，包括冰川、冰盖和永久冻土融化。冰冻圈是保存了数千年的携带抗生素抗性和毒力因子的古老微生物的储存库。冰川融冰释放细菌遗传包，促进新型抗性性状向下游水生网络中微生物群落的水平转移。
非生物胁迫因子方面，现代农业中合成肥料、除草剂、杀虫剂和农药的密集应用破坏土壤生物多样性，驱动对各种非生物胁迫因子的共抗性机制进化。铵基肥料的应用通过生物硝化加剧土壤酸化，对土壤细菌施加严重生理胁迫。微生物常通过下调膜孔蛋白限制化学物质流入并上调外排泵挤出环境毒素和抗生素来响应。酸性环境通常促进ARG丰度，碱性条件则抑制。当环境细菌遇到亚抑制抗生素和其他非生物胁迫因子时，细胞代谢被破坏，产生细胞内ROS，导致双链DNA断裂并激活SOS反应系统，这是遗传突变和HGT的主要驱动因素。动物粪便作为有机肥料的应用富集农业土壤营养并引入抗生素残留物，创造高度有利于ARGs通过HGT在不同细菌类群间传播的环境。除草剂如麦草畏、2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）和草甘膦暴露增强鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌对治疗性抗生素的耐受性。
5 抗生素耐药性的持久性机制
水生环境是抗菌剂残留和共污染物的关键热点，驱动新和现有ARGs的进化。该环境支持ARB通过垂直方式传播至后代或通过HGT水平传播。污水处理厂（WWTPs）显著降低污染物浓度，但常未能完全消除ARB和ARGs。当前环境排放法规依赖一般微生物指标如大肠杆菌或总大肠菌群，而非ARB的特异性监测。因此，符合这些标准标准并不确保安全，处理后的出水仍可能含有未监测的ARB。淡水分配系统由封闭管道网络组成，为生物膜形成提供理想表面。生物膜是封闭多种微生物群落的保护性细胞外基质。在这些封闭基质中，强烈自然选择有利于微生物在水力扰动和各种胁迫因子下的持续存在。生物膜以异质微菌落形式存在，被胞外多糖（EPS）基质包围，由间隙水通道分隔。上层微生物代谢活跃，常暴露于诱导基因组突变的抗生素胁迫因子。深层群落营养匮乏和缺氧条件占主导，常进化为代谢休眠的“持久”细胞，对抗菌胁迫高度耐受。持久细胞在遗传上与亲本菌株相同，但生理上不同，具有多种生存机制。微塑料为生物膜形成微生物提供有利固体表面，形成“塑料圈”生态位。塑料圈细菌获得多种ARGs并维持比浮游形式更高的抗生素抗性。
水平基因转移是特定DNA片段从一个细菌细胞转移至另一个密切相关或远缘相关细胞的过程。细菌细胞间的遗传交换由三种经典机制介导：接合、转化和转导。接合是通过性菌毛从供体细胞向受体细胞单向直接转移DNA片段。接合质粒和整合接合元件（ICEs）是介导此过程的主要MGEs。质粒是独立于宿主基因组自主复制的染色体外DNA分子。ICEs是通常整合在宿主基因组中的模块化元件，随染色体DNA在细菌细胞分裂期间被动复制。ICEs可整合至异源复制子中形成“复合”元件。ICEs的模块化设计将功能类似基因聚类为离散模块，主要包括重组/切除、接合和调控。核心模块构成ICE生存和传播所需的基本骨架，可变非必需元件（称为附属、货物或适应基因）散布在ICE结构中，赋予宿主细菌额外的进化优势。
