长江干流表层沉积物中抗生素与抗生素抗性基因的空间分布对比研究

《Emerging Contaminants》：Contrasting Spatial Patterns of Antibiotics and Antibiotic Resistance Genes in Surface Sediments along the Yangtze River

　　

抗生素和抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）是大型河流沉积物中备受关注的新兴污染物，然而它们在受大坝调控的河流系统中的空间共变规律仍鲜有研究。为解答这一问题，研究人员沿长江干流采集了表层沉积物样品，覆盖上游河段、三峡库区（Three Gorges Reservoir，TGR）、中游河段和下游河段。在44种目标抗生素中，共检出35种。对15份具有可用测序数据的样品进行宏基因组分析，鉴定出828种推定ARG亚型，其中选取23种代表性亚型进行详细的空间比较。四环素类（tetracyclines，TCs）占总抗生素负荷的90%以上，平均浓度从上游的82.97 ng/g递减至三峡库区的70.81 ng/g，再至下游的49.22 ng/g。相比之下，所选取的23种ARGs的总丰度在下游（68867 RPKM）高于上游（48377 RPKM），表明抗生素残留与沉积物抗性组之间存在不完全的空间一致性。探索性多元分析表明，ARGs的变异与沉积物性质、抗生素残留、微生物群落和可移动遗传元件（mobile genetic elements，MGEs）共同相关。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）显示，抗生素（β = 0.390）、MGEs（β = 0.334）和沉积物性质（β = 0.306）对ARGs均存在正向直接路径系数。隶属于假单胞菌门（Pseudomonadota）和硝化螺旋菌门（Nitrospirota）的宏基因组组装基因组被鉴定为潜在的ARGs宿主。ARGs与可移动遗传元件之间的正相关关系表明沉积物抗性组内具有较高的遗传移动潜力。风险评估确定四环素为主要抗生素相关生态关注点，在三峡库区最大危害商数（hazard quotient，HQ）达18.9，而所评估的ARGs均处于最低潜在人类健康风险等级。上述发现揭示了长江沿线抗生素与ARGs的对比性空间格局，并确定沉积物性质、微生物群落和遗传移动潜力是ARGs变异的重要关联因素。

长江干流沉积物中抗生素与抗生素抗性基因的对比性空间格局：研究解读

一、研究背景与科学问题

抗生素在人类医疗、畜牧养殖和水产养殖中的广泛使用，使其持续进入水环境并在沉积物中富集。中国是全球最大的抗生素生产国和消费国，年消费量约占全球总量的45%。由于多数抗生素仅被部分代谢，约25%-75%的母体化合物通过废水排放、农业径流等途径进入河流，最终在沉积物中积累。沉积物不仅是抗生素的汇，其丰富的有机质和细颗粒物质也为抗生素抗性基因（ARGs）的生成、富集和传播提供了理想场所。ARGs可通过垂直遗传在微生物世代间传递，也可借助可移动遗传元件（MGEs）介导的水平基因转移在不同微生物类群间扩散，甚至进入人类病原体，对生态系统和公共健康构成严重威胁。

长江是中国最大的河流，流域面积约占国土面积的五分之一，支撑着近三分之一的人口和经济活动。流域内集中式饮用水水源地占全国的31.86%，凸显了该流域对国家饮用水安全的关键意义。然而，长江流域密集的畜禽养殖和水产养殖导致年均抗生素消费量达3204.54吨（2013-2021年）。已有研究多聚焦于局部河段或单一污染物，未能充分解析抗生素和ARGs的流域尺度分布格局，以及大坝等重大水利工程的调控作用。

长江干流已建成六级大型梯级水电站，其中三峡大坝（TGD）为世界最大水电站，其运行显著改变了长江水文情势，将库区流速从2 m/s降至0.13-0.29 m/s，延长了水力停留时间，促进了悬浮物的沉积。2004-2018年间，三峡库区（TGR）累计拦截了1610 Mt沉积物。这种拦截效应不仅影响营养盐和重金属的输运，还可能重塑强吸附性污染物（如抗生素）的归趋。同时，作为主要沉积物蓄积区，TGR蕴含丰富的微生物群落和基因库，为ARGs的积累创造了有利条件。然而，大坝建设对大型河流沉积物中抗生素和ARGs的分布、转移机制及微生物载体的影响仍不清楚。

二、研究设计与技术方法

研究人员以整个长江流域为研究区域，于2020年10月从长江干流中心河床同步采集表层沉积物（0-10 cm）样品共21份，包括上游河段7份（S1-S7）、三峡库区5份（S8-S12）、中游河段2份（S13-S14）和下游河段7份（S15-S21）。其中15份样品获得了可用的宏基因组数据集（上游4份、TGR 4份、下游7份），中游2份样品未获得可用宏基因组数据。

主要技术方法包括：（1）采用液相色谱-三重四极杆串联质谱法测定44种目标抗生素（16种磺胺类、14种喹诺酮类、9种大环内酯类、4种四环素类和1种林可酰胺类）的浓度；（2）采用Illumina NovaSeq平台进行宏基因组测序，利用CARD数据库和RGI软件进行ARGs注释，以RPKM标准化丰度；（3）利用MGEs90数据库注释intI1、DDE、RecA和TraM等MGEs；（4）基于NR数据库进行物种分类注释以表征微生物群落组成；（5）利用MetaBAT进行基因组分箱，经CheckM2质量评估后获得16个宏基因组组装基因组（MAGs）；（6）采用危害商数（HQ）评估抗生素生态风险，采用富集因子（EF）框架评估ARGs潜在人类健康风险；（7）运用Mantel检验、偏最小二乘路径模型（PLS-PM）和冗余分析（RDA）进行探索性多元统计分析。

三、主要研究结果

3.1 抗生素浓度的空间分布特征

共检出35种抗生素，其中大环内酯类和磺胺类检出频率最高（78%-100%和75%-88%）。总抗生素浓度范围为37.00-125.37 ng/g，均值为73.34 ng/g。四环素类（TCs）在各河段均占总抗生素负荷的90%以上（上游93%、TGR 94%、中游95%、下游92%），其中金霉素（TCN）贡献超过95%。TCs平均浓度从上游的82.97 ng/g递减至TGR的70.81 ng/g和中游的66.78 ng/g。这种纵向格局反映了空间变化的污染源输入与沉积条件的综合影响。三峡大坝降低了流速并延长了水力停留时间，使TGR中黏粒和粉粒比例从上流的2.2%-17.4%增至17.6%-27.3%，促进了TCs和喹诺酮类等强吸附性抗生素随细颗粒沉降而被截留。

3.2 ARGs和MGEs在不同河段间的分布特征

共检出828种ARG亚型，涵盖9种耐药机制。抗生素外排占耐药功能的63%以上。多重耐药基因占抗性组的45.2%-48.1%，为优势类型。选取的23种代表性ARG亚型占每个样品总ARG丰度的85%以上。大环内酯类ARGs为优势组（占∑₂₃ARGs的47.1%-51.6%），其中macB为主要贡献者（占61.5%-63.7%）。∑₂₃ARGs平均RPKM丰度从上游的48377增至TGR和下游的68867。TGR的S8位点多种ARGs（如sul4、patA、macB、tetB(P)）达到最大值，表明库区存在局部抗生素积累和ARGs谱的显著变化。MGEs（intI1、DDE、RecA、TraM）的空间趋势与ARGs密切吻合，下游高于上游（p < 0.05），且MGEs与ARGs显著正相关（p < 0.01），提示MGE介导的水平基因转移在ARGs传播中发挥潜在作用。

3.3 微生物群落结构与组成

ARGs相关微生物群落的Shannon和Sobs指数沿长江干流递增，下游显著高于上游（p < 0.05）。NMDS和ANOSIM分析显示上游、TGR和下游沉积物微生物群落间存在显著分离（Stress = 0.09；R = 0.34，P = 0.007）。优势ARGs相关门类为假单胞菌门（Pseudomonadota）、酸杆菌门、绿弯菌门、放线菌门和硝化螺旋菌门，合计占总序列的80%以上。Pseudomonadota为绝对优势门类（上游59.0%、TGR 58.4%、下游45.5%）。TGR中酸杆菌门、放线菌门和硝化螺旋菌门相对丰度显著降低，而绿弯菌门成为TGR中第二大优势门类。共现网络分析显示，下游正相关边涉及18个细菌门类，多于上游（11个）和TGR（15个），与下游更高的ARGs丰度平行。宏基因组组装获得16个MAGs，其中超过半数隶属于Pseudomonadota（7个）和Nitrospirota（5个）。所有16个MAGs均携带5-11种代表性ARGs，跨越2-6个耐药类别。MAG11和MAG12携带全部六个类别的ARGs。共现于同一contig上的258个ARGs位点中，92.2%位于最近MGE相关基因5 kb以内，提示这些耐药位点具有移动潜力。

3.4 ARGs丰度与环境及微生物因子的多元关联

Mantel检验显示，ARGs的RPKM丰度与黏粒和粉粒含量正相关（q < 0.05），与砂粒含量负相关；TOC和TN与细颗粒组分及ARGs均正相关（q < 0.05）。磺胺类与ARGs正相关（q < 0.05），而喹诺酮类、四环素类和大环内酯类与ARGs呈弱相关或负相关。MGEs与ARGs强正相关（q < 0.05）。Shannon多样性和门水平丰度与多种ARGs正相关（q < 0.05）。PLS-PM模型（GOF = 0.47）显示，抗生素（β = 0.390）、MGEs（β = 0.334）和沉积物性质（β = 0.306）对ARGs均有正向直接路径，抗生素还可通过MGEs产生间接效应。RDA最终模型解释了66.9%的总变异（调整R2 = 0.428），整体显著（p = 0.009），排序图中Pseudomonadota与ARGs的邻近性与其潜在宿主角色一致。

3.5 生态风险与ARGs健康风险格局

六种代表性抗生素中，TCN为生态风险的主要贡献者，HQ值范围为4.88-18.86，所有采样点均属高风险类别（HQ > 1），最大值出现在TGR的S9位点（18.87）。其余五种抗生素HQ < 0.01，生态风险可忽略。ARGs富集因子范围为0.10-7.87，均低于阈值100，被分类为Rank IV，即最低潜在人类健康风险等级。平行可视化分析显示，TGR的S8位点（HQ = 14.37；tetB(P)富集 = 1.92）是唯一同时超过HQ(TCN)和tetB(P)富集上四分位参考值的位点，被确定为潜在联合关注位点。

四、研究结论与意义

本研究揭示了长江表层沉积物中抗生素与ARGs沿上游-TGR-下游连续体呈现对比性空间格局：四环素类占总抗生素负荷的90%以上且总体向下游递减，而23种代表性ARGs的总RPKM信号在下游（68867 RPKM）高于上游（48377 RPKM）。ARGs变异与沉积物特征、抗生素残留、微生物群落和MGEs共同关联，表明抗性组格局并非简单地随抗生素浓度变化。MAG分析鉴定Pseudomonadota和Nitrospirota为主要潜在ARGs宿主，ARGs与MGEs的显著正相关（p < 0.01）提示ARGs发生与可移动遗传元件密切相关。四环素构成主要生态关注，所有位点HQ均超过1，在TGR峰值达18.9。所评估的ARGs在采用框架下均处于最低潜在人类健康风险等级。该研究为理解大型筑坝调控河流连续体中抗生素与ARGs的对比性行为提供了空间分辨的基线数据，对流域尺度抗生素耐药性评估与管理具有重要参考价值。