补氯条件下饮用水供应系统中抗生素抗性组的持久性与动态变化

《Journal of Hand Therapy》：Persistence and Dynamics of Antibiotic Resistome in a Drinking Water Supply System with Booster Chlorination

　　

由于抗生素在全球范围内的广泛使用，水生环境中抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）的普遍存在已成为一个重大的公共卫生问题。本研究调查了饮用水供应系统中的抗生素抗性基因（ARGs），特别关注配水管网中的补氯过程。为了阐明抗生素抗性组的动态变化，研究人员从五个不同区段采集水样并提取环境脱氧核糖核酸（DNA），随后通过宏基因组组装重构抗性组谱。研究结果表明，35个核心抗生素抗性基因（ARGs）在水处理和早期分配过程中持续存在但浓度降低，其中耐杆菌肽、多重耐药和耐利福霉素的基因为最占优势的类型。然而，在终端分配区段观察到抗生素抗性基因（ARGs）显著激增。这一增加与抗性组结构的变化有关，主要归因于微生物群落的转变，在饮用水分配系统（drinking water distribution system, DWDS）内还特定与补氯过程中氯胁迫下由可移动遗传元件（mobile genetic elements, MGEs）介导的水平基因转移相关。饮用水分配系统（DWDS）内的微生物群落与自来水处理厂中的群落呈现明显差异。在再次加氯的压力下，耐氯的Mycobacteriales目以及形成生物膜的Hyphomicrobiales目和Rhodobacterales目成为优势类群。此外，宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes, MAGs）重构进一步确定Hyphomicrobium属和Mycobacterium属是饮用水分配系统（DWDS）中主要抗生素抗性基因（ARG）携带者，其中后者为核心ARGs的主要假定宿主。总体而言，本研究表明，配水系统中的补氯在控制微生物再生的同时，也可能促进抗生素抗性基因（ARG）的传播。这些发现强调了优化再氯消毒实践的必要性，以在饮用水分配系统（DWDS）中平衡微生物生长控制并最小化ARGs扩散。

研究背景与意义：由于抗生素的广泛使用，抗生素抗性基因（ARGs）在水环境中日益普遍，对公众健康构成威胁。饮用水是人体暴露于ARGs的主要途径之一，而现有处理工艺及配水管网可能无法完全去除这些基因，甚至可能促进其水平基因转移（HGT）。补氯是热带及亚热带地区常用的消毒策略，以维持管网中余氯并抑制微生物再生，但氯胁迫可能选择耐氯菌并同时增强可移动遗传元件（MGEs）介导的ARGs扩散。然而，全尺度配水管网中多次补氯对抗生素抗性组动态的影响尚不清楚。为此，研究人员开展本研究，旨在揭示补氯条件下饮用水供应系统中抗生素抗性组的持久性与动态。该论文发表在《Journal of Hand Therapy》。

主要关键技术方法：研究选取台湾东南部一座全尺度饮用水处理及供应系统，于2022年9月连续三天采集五个位点水样（原水、氯化出厂水、管网上游、中游、下游），共15份样本。使用0.22 μm滤膜过滤富集微生物，提取环境脱氧核糖核酸（DNA），通过宏基因组测序及组装重构抗性组谱，并采用快速注解技术进行基因注释。同时，运用宏观基因组组装基因组（MAGs）重建推断ARGs宿主，结合水化学参数（余氯、消毒副产物等）分析微生物群落与抗性组关联，并通过网络分析评估生态及健康风险。

研究结果：
1. Changes in the total abundance of bacteria and ARGs in the drinking water system: 通过对16S核糖体核糖核酸（rRNA）基因拷贝数定量，研究发现总细菌丰度在氯化出厂水显著降低（^{3.49 × 105} copies/L），管网上游保持稳定，但下游增至^{6.02 × 106} copies/L。ARGs总丰度（以拷贝/细胞计）在出厂水降至0.18，原水为0.46；然而，下游终端水样中ARGs丰度激增至0.44，呈现回升趋势。

2. Core ARGs persisted in the chlorinated water: 通过共现网络分析，识别出35个核心ARGs（检出率≥60%），覆盖杆菌肽、多重耐药、利福霉素、氨基糖苷等类型。这些核心ARGs在水处理及早期分配中持续存在但浓度下降，而多重耐药和利福霉素类基因持久性最强。

3. Dynamics of ARGs across the distribution network: 在配水管网中，ARGs组成发生显著变化。上游补氯点细菌丰度稳定，但下游终端出现ARGs含量反弹。分层分析表明，下游ARGs增加与微生物群落结构转变（由浮游态转为耐氯生物膜态）及MGEs介导的HGT相关。冗余分析（RDA）显示，余氯、消毒副产物（DBPs）和水龄是驱动抗性组动态的关键环境因子。

4. Identified hosts of ARGs: 通过宏基因组组装基因组（MAGs）重建，研究人员鉴定出Hyphomicrobium和Mycobacterium为主要ARGs宿主，其中Mycobacterium是核心ARGs（如fsr、vanR等）的主要假定携带者，并同时携带氯耐受基因。网络分析进一步揭示，下游样本中MGEs（转座酶、整合酶）与ARGs共发生频率显著升高，暗示HGT在此区域活跃。

5. Risk assessment of the antibiotic resistome: 研究人员基于ARGs种类、可移动性及致病性进行风险评估，发现下游终端水样的生态风险（抗性组多样性指数）显著高于上游和中游。此外，与临床相关的耐药机制（如外排泵靶位修饰）在下游样本中比例增加，提示潜在人类健康风险。

讨论总结：研究证实，水处理厂可有效降低总微生物及ARGs丰度，但补氯在抑制微生物再生的同时，通过选择耐氯菌（如Mycobacterium）并增强MGEs介导的HGT，导致管网末端ARGs重新富集。此外，管网中生物膜形成及水龄增长进一步加剧ARGs持久性。研究强调需要优化补氯策略，在维持水质安全的同时最小化ARGs传播风险。

结论翻译：本研究为饮用水供应系统中抗生素抗性组的动态提供了重要见解，特别是阐明了配水管网中补氯的影响。虽然水处理工艺有效降低了总体微生物和ARGs丰度，但在水龄较长的终端分配区段观察到ARGs的显著再次出现和激增。尽管补氯在加氯点维持了稳定的细菌丰度，但余氯的持续选择压力筛选出耐氯细菌，并伴随着ARGs可移动性的增加，最终提升了生态系统抗性组风险。这表明，补氯虽然控制微生物再生，但可能无意中通过水平基因转移促进ARGs扩散，从而带来持续的环境与健康隐患。