二次供水系统中抗生素耐药基因的传播：消毒 - 微塑料耦合作用，风险与控制

《Journal of Water Process Engineering》：The spread of antibiotic resistance genes in secondary water supply systems: Disinfection-microplastic coupling, risk and control

　　## 摘要要点- **微塑料作为活性界面，通过生物膜富集和氧化应激加速水平基因转移（HGT）。**- **氯消毒通过上调 *RpoS* 和外排泵将细菌驱入不可培养但存活（VBNC）状态。**- **氯消毒产生反应性氯物种（RCS）和消毒副产物（DBPs），促进抗生素抗性基因（ARGs）的水平转移。**- **微塑料与氯消毒共同通过保护作用和应激效应增强ARGs的传播。**- **机器学习（ML）为ARGs宿主鉴定、风险排序和传播预测提供了框架。**---## 引言二次供水系统（Secondary Water Supply Systems, SWSS）通常由供水管道、水泵、储水箱和阀门组成，是饮用水处理厂、高层建筑与终端用户之间的重要连接[1]。与传统饮用水分配系统（DWDS）相比，二次供水系统中额外的储存和加压过程可能导致水体滞留时间延长、余氯衰减以及生物膜发育，从而为ARGs的持续存在和传播创造了有利条件。然而，一个长期被忽视的潜在威胁正潜藏于这些系统中——抗生素抗性基因（ARGs）正利用二次供水系统作为传播载体，对人类健康构成直接风险[2]。世界卫生组织（WHO）将抗微生物药物耐药性（AMR）列为全球十大健康威胁之一，预计到2050年，AMR将导致每年约1000万人死亡，并造成近100万亿美元的经济损失[3]、[4]、[5]。环境和人为压力，如饮用水分配系统中的余氯和抗生素滥用，会选择ARGs并促进ARGs在细菌种群（包括具有致病潜力的细菌）中的传播[6]、[7]。这些耐药菌（ARB）和ARGs在环境、动物和人类之间传递，而二次供水系统由于面临远距离输送和长期储存的风险，加之余氯衰减和生物膜发育等因素，已成为ARGs富集、水平转移和潜在人体暴露的关键节点[8]、[9]、[10]、[11]。微塑料在二次供水系统中广泛分布，其高度移动性使得ARGs得以广泛传播，对公共安全构成威胁。然而，目前针对全尺寸二次供水系统中微塑料丰度的定量研究仍然有限。现有相关饮用水系统的研究为微塑料的检出提供了有用信息。德国饮用水中报告的微塑料浓度范围为0.001至0.102颗/升，14个国家自来水的平均丰度为4.34颗/升，而在与二次供水储存环境相关的静止水条件下为30至97颗/升[1]、[12]。二次供水系统中的微塑料不仅来源于水源，还来自管道本身的释放。聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）等塑料管道在长期水力冲洗和老化过程中会释放微塑料颗粒，与耐药菌共存，从而加剧抗生素耐药性问题[1]、[13]。此外，微塑料上的微生物生物膜可作为ARGs的长期储存库。微塑料还可通过移动遗传元件（MGEs）增强ARGs的水平基因转移（HGT），进一步增加其持续存在和传播能力[14]。氯消毒作为饮用水处理的核心工艺，因其成本低廉和消毒效果稳定而广泛应用于全球饮用水处理[15]。然而，常用的含氯消毒技术可能无法有效去除ARGs，甚至可能增强ARGs在配水管网和自来水中的传播[16]。此外，氯消毒对ARGs传播的影响不仅限于处理厂内的瞬时过程，管网中的余氯和消毒副产物（DBPs）还施加了持续的 ??压力，驱动微生物群落中ARGs的水平转移和富集，从而对饮用水的生物学安全构成长期潜在威胁[17]、[18]、[19]。尽管微塑料和氯消毒均为ARGs传播的重要驱动因素，但这两个因素在二次供水系统中的交互效应尚未得到系统评估。在二次供水系统中，它们的长期共存可能共同影响ARGs的持续存在和转移。鉴于上述风险的复杂性，深入理解ARGs传播的关键驱动因素和内在机制对于保障二次供水安全至关重要。因此，本文旨在系统总结ARGs在二次供水系统中的传播途径和富集模式，重点阐明微塑料和氯消毒作为核心驱动因子的作用机制，评估现有水处理工艺在控制ARGs方面的有效性，识别研究空白与挑战，并提出针对性的风险管控策略和未来研究方向，以期为有效遏制ARGs在二次供水系统中的传播、保障公众健康提供科学依据和理论支撑。---## 章节摘要### 1. ARGs在二次供水系统中的传播机制在二次供水系统中，水平基因转移（HGT）是微生物进化及适应环境压力的核心机制，主要包括转化、转导和接合三种类型（表1）[20]、[21]。在ARGs的环境传播过程中，质粒、整合子和转座子等移动遗传元件（MGEs）发挥核心驱动作用[22]、[23]。这些移动遗传元件不仅介导ARGs在不同宿主微生物之间的水平转移，还直接驱动……### 2. 微塑料与氯消毒的耦合驱动ARGs的富集与转移前述内容系统探讨了二次供水系统中ARGs的水平基因转移机制及移动遗传元件的核心驱动作用。然而，仅了解传播机制不足以指导风险管控，关键在于识别实际加速二次供水系统中这些过程的环境因素及其作用方式。二次供水系统中的微塑料和氯消毒并非孤立存在，而是长期共存并持续相互作用。因此……### 3. 二次供水系统中ARGs的生态与健康风险二次供水系统中ARGs的生态风险不同于传统化学污染物的毒性风险。其核心威胁在于ARGs的可复制性、可传播性和可持久性特征，使得低丰度污染在适当条件下可能被放大为高风险健康危害（图4）[84]。因此，ARGs的生态风险评估更侧重于当前威胁暴露途径。该方法适用于已知ARGs的暴露评估，依赖于……### 4. 二次供水系统中ARGs的削减与控制策略传统氯消毒工艺无法彻底去除ARGs。尽管水中微生物总数减少，但耐药率并未显著变化，缺乏有效的选择压力来消除耐药性[96]、[97]。此外，微塑料的存在可产生多重交叉效应（DMCE），进一步促进ARGs的传播。因此，有必要探索更高效的微塑料和ARGs去除技术，以确保……### 5. 挑战与展望上述章节系统阐述了ARGs在二次供水系统中的发生与传播特征，分析了微塑料与氯消毒相互作用形成的DMCE效应，总结了ARGs的生态与健康风险评估方法及削减控制策略，并明确了制约二次供水系统中ARGs风险管理的关键科学问题。尽管环境行为研究已取得显著进展……### 6. 结论二次供水系统是ARGs富集和人体暴露的关键节点，微塑料与氯消毒的耦合效应进一步放大了其传播风险。水平基因转移是ARGs在二次供水系统中传播的核心途径，显著受到微塑料和氯消毒的驱动。然而，微塑料与氯消毒相互作用产生的DMCE过程可能进一步损害消毒效果、促进ARGs富集，并潜在增加……---### CRediT作者贡献声明**李福国**：初稿撰写、调查研究、概念构思。**赵文翰**：审阅与编辑、监督指导、调查研究。**Altaf Hussain**：审阅与编辑、监督指导。**王思颖**：审阅与编辑、监督指导、概念构思。**严明**：审阅与编辑、监督指导、概念构思。**华涛**：审阅与编辑、监督指导、项目管理、基金获取、概念构思。**李锋翔**：审阅与编辑……### 利益冲突声明作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本研究得到**国家重点研发计划**（2019YFC1804102）和**国家自然科学基金**（32171615）的资助。