《Environmental Technology & Innovation》：Multifactorial drivers of antibiotic resistance gene spatial distribution at basin scale: the interplay of selection pressure, host community, and ecological cascades
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抗生素耐药基因（ARGs）作为新型污染物，其流域尺度的驱动机制尚不明晰。本研究针对这一关键环境与健康问题，通过宏基因组学技术，系统分析了汾河流域ARGs的空间分布规律及其多维驱动因素。研究发现，ARGs丰度呈现从上游至下游递减、但在黄河口突增的独特模式；其空间异质性受到非生物（如Mg/Mo离子应激）与生物（如原生生物捕食、细菌竞争）因素的双重调控；同时，抗生素耐药菌（ARB）通过关键细胞过程介导ARGs传播，其中胞外聚合物（EPS）和活性氧（ROS）通路则扮演了负向调控者的角色。该研究首次在流域尺度揭示了环境抗性组的物理化学生物协同调控网络，为靶向ARGs污染防控提供了关键理论依据与潜在干预靶点。
在人类健康与生态安全领域，抗生素耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）正成为一场悄无声息的“全球疫情”。其中，抗生素耐药基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）作为其遗传基础，如同潜伏在环境中的“耐药火种”，可通过水、土壤等介质传播扩散，严重威胁公共卫生。传统观点常将ARGs的泛滥归咎于抗生素的滥用，然而在自然环境中，尤其是广袤的河流流域，抗生素残留浓度往往极低，远不足以驱动实验室中观察到的耐药菌大规模产生。这不禁引人深思：在抗生素直接压力之外，究竟是哪些幕后推手在操控着环境中ARGs的“生死”与“迁徙”？它们又如何通过复杂的生态网络相互作用，最终塑造了ARGs在大尺度空间上的分布版图？为了揭开这些谜团，一项聚焦于中国汾河流域的研究应运而生，相关成果发表于《Environmental Technology》期刊。
为了系统回答上述问题，研究团队在汾河流域主干流布设了12个国家监测断面（F1-F12），于2024年4月采集水样。研究综合运用了野外原位监测、室内理化分析、宏基因组测序（Metagenomic Sequencing）及生物信息学分析等关键技术方法。通过对高质量测序数据的处理，研究人员注释并定量了ARGs、移动遗传元件（Mobile Genetic Elements, MGEs）、抗生素耐药菌（Antibiotic Resistant Bacteria, ARB）以及参与水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）的关键功能基因（如细胞膜通透性、ATP合成、活性氧ROS、胞外聚合物EPS相关基因）的丰度，并结合环境因子数据，采用统计学与路径模型深入解析了驱动ARGs空间分布的多维机制。
研究结果揭示了以下核心发现：
3.1. ARGs、传播因子及微生物群落的分布与多样性
研究发现，汾河流域ARGs的总丰度从上游至下游总体呈下降趋势，但在最下游汇入黄河的F12断面出现显著升高。ARGs的香农多样性指数也呈现出类似的变化规律。同时，细菌、ARB和病毒群落的丰度与多样性变化趋势与ARGs基本一致，而原生生物群落的丰度则呈现相反趋势。研究共检测到2093个ARGs，分属39个类别，其中大环内酯类、氟喹诺酮类、肽类和四环素类ARGs为主要类型。变形菌门、放线菌门等是携带ARGs的主要细菌门类。MGEs是驱动ARGs水平转移的主要因素，其中转座酶、IS91移动插入元件和整合酶是主导类型。抗生素外排和作用靶点改变是微生物主要的耐药机制。
3.2. ARGs水平转移中的关键细胞过程
与ARGs传播密切相关的关键细胞过程功能基因（包括细胞膜通透性、ATP合成、ROS氧化应激、EPS分泌相关基因）的丰度，在流域内同样表现出“上游至下游递减、F12点突增”的分布模式，与ARGs的分布高度一致。这表明这些细胞过程与ARGs的环境富集和传播存在强关联。
3.3. ARGs发生与传播的决定因素
通过相关性分析与偏最小二乘路径模型（PLS-PM）量化发现，ARGs的富集受到非生物与生物因子的双重驱动。非生物因子方面，镁（Mg）和钼（Mo）等离子应激因子，虽与细菌、原生生物群落的多样性呈正相关，但通过激发生态级联效应，间接抑制了ARGs的传播。生物因子方面：1) ARB作为ARGs的载体，其丰度对ARGs、MGEs及各类HGT相关功能基因均有显著正向效应，是传播的核心枢纽。2) MGEs、增强的细胞膜通透性以及ATP合成过程共同促进了ARGs的富集。3) 令人意外的是，活性氧（ROS）相关基因和胞外聚合物（EPS）分泌相关基因的丰度，与ARGs的丰度呈显著负相关，表明ROS和EPS途径在汾河这种复杂污染环境中，扮演了抑制ARGs传播的“刹车”角色。路径模型进一步指出，对ARGs累积影响最大的因素是ROS相关功能基因，其次才是ARB、MGEs等。
结论与讨论部分强调了本研究的多重意义：
本研究首次在流域尺度上，系统阐明了ARGs空间分布的多因子驱动机制。结论指出：1) ARGs的“上减下增”空间格局是自然背景（如上游放线菌宿主、特殊地形地质）与人为干扰（中游工业污染、下游水文滞留）共同作用的结果。2) 以Mg、Mo为代表的离子应激，并非直接杀灭微生物，而是通过提升细菌与原生生物多样性，激发生态级联效应——即增强的细菌种间竞争和原生生物捕食压力，间接抑制了ARB的种群规模，从而阻断了ARGs的传播链条。这为利用生态调控手段管理环境抗性组提供了新思路。3) ARB介导的传播过程中存在精妙的微生物权衡策略。在多重环境压力下，微生物可能将资源重新分配，优先用于构建ROS介导的清除机制和EPS形成的物理屏障，而非一味地增殖和传播耐药基因。这种源自微生物群体智慧的“负反馈”调节机制（ROS与EPS的抑制效应），为开发靶向抑制ARGs富集的绿色环境技术（如基于ROS诱导或EPS强化的生物处理工艺）揭示了潜在的关键作用靶点。
综上所述，该研究不仅深化了对流域尺度环境抗性组生态学理论的认识，揭示了物理、化学、生物过程协同调控ARGs命运的复杂网络，更重要的是，它将宏观的流域现象与微观的细胞分子机制紧密连接，从“生态级联”和“微生物代谢权衡”的全新视角，为制定精准、高效的流域ARGs污染防控策略奠定了坚实的科学基础。
