综述：通过基因组学打破抗性循环：从分子层面解析重金属介导的抗生素抗性缓解策略

《Ecological Genetics and Genomics》：Breaking the Resistance Loop via Genomics: Unravelling Mitigation Approaches to Heavy Metal-Mediated Antibiotic Resistance across Molecular Dimensions

　　摘要：在重金属的作用下，环境中抗生素抗性的持续增加对全球健康构成了双重威胁。目前的研究多集中在共同选择与交叉抗性的产生上，而将分子路径、抗性组动态及环境因素相结合的综合性缓解框架仍较为缺乏。本综述全面总结了重金属诱导抗生素抗性的机制基础，从基因组及抗性组层面分析了抗性的传播机制。文中重点阐述了微生物的适应性机制，包括活性氧介导的应激反应、移动遗传元素、水平基因转移、多重药物外排泵以及生物膜，这些机制有助于细菌在选择性压力下产生抗性。通过对环境废弃物数据库的计算机分析，发现了ARG与MRG的共同出现模式，这一结果与文献计量分析一致，同时也显示了交叉抗性的增加趋势。网络分析进一步揭示了ARG、MRG与外部环境选择压力之间的关键相互作用，指出了交叉抗性和共同选择的高发区域。综述还评估了多种缓解策略，包括活性氧清除剂、外排泵抑制剂、生物膜破坏剂、金属螯合剂、生物修复技术以及先进的废水处理方法。此外，还探讨了气候变化因素，如温度上升和极端天气，如何影响金属的活动性、微生物群落结构以及抗性的传播。加强废物管理法规、改进金属处理方式、实施针对性的环境监测以及了解各种缓解策略的局限性，都被视为关键举措。一个整合了基因组学、机制研究、抗性组分析及缓解措施的“同一健康”框架，为应对快速变化的环境中由重金属引发的抗生素抗性问题提供了清晰的行动指南。

引言：抗生素抗性的不断上升与扩散已导致全球范围内多达495万人死亡，未来几年这一数字还可能上升至1000万[1]。临床和农业领域中抗生素的滥用问题受到了公众和政府的广泛关注，但其对环境的影响仍需进一步深入研究。尽管已经采取了多种缓解策略和监管措施，但由于环境病原体中仍普遍存在抗生素抗性，这些措施的成效有限[2]。这表明，减少抗生素使用并非遏制抗生素抗性的唯一途径。还有其他环境或人为因素也在影响着抗生素抗性的选择与传播。最新研究表明，具有抗菌作用的人为物质可通过共同选择机制在微生物群中引发或促进抗生素抗性的产生[3]。环境微生物群除了面临抗生素残留外，还暴露于各种重金属和有机物之中。某些污染物具有潜在的抗菌作用，从而为细菌创造了选择压力，促使细菌进化出能够在环境中生存和繁衍的遗传机制[4]。

大量重金属通过废水和污水排放到生态系统中。铅、铬、镍、铜和锌是自然资源中最具毒性的污染物。由于其不可生物降解的特性，重金属会在环境中长期存在，积累在生物体内，并通过食物链传递，带来潜在的毒性后果[5]。化石燃料燃烧、汽车尾气、化肥、农药以及生活污水都增加了水和陆地环境中的有毒重金属含量[6]。对长期施用农药的土壤微生物群进行的宏基因组研究也发现了重金属与抗生素抗性基因之间的交叉抗性现象[6]。相比抗生素残留，重金属在环境中的存在比例可能更高，它们通过废水及自然过程以更高的速率和浓度被释放出来[7]。由于金属的吸收能力低于抗生素，因此在生态系统，尤其是土壤和沉积物中，其生物可利用性更高。

农业和医疗领域大量使用抗生素，产生了大量的废弃物排放到环境中。临床和畜牧业中部分被代谢的抗生素也会进入废水之中[9]。这些废水和固体废物中含有大量其他污染物，其中包括具有抗菌作用的重金属[10]。废水处理行业和制药行业是抗生素抗性传播的主要场所，应作为干预的重点[11]。重金属污染不仅会损害天然微生物群，还会影响机会性病原体。为了在受污染的环境中生存，细菌会发生基因变异，包括染色体突变或通过移动遗传元素获取抗生素抗性基因。当同一移动遗传元素上同时存在抗生素抗性基因和重金属抗性基因时，就可能导致交叉抗性。金属还可能共同选择出对临床常用抗生素具有抗性的基因[12]。这种共同选择和交叉抗性现象，将对未来的临床和环境健康构成严重威胁[13]。

持续接触污染物使细菌能够发展出复杂的遗传机制，以及用于感知和分解相关分子的蛋白质表达能力。微塑料、消毒剂、剩余药物、个人护理产品以及重金属都可能成为诱导抗生素抗性的前体，影响细菌的转化、转导和接合作用[14]。有可能出现具有抗生素抗性特征的新的蛋白质，进而通过进一步突变形成真正的抗性蛋白[15]。微生物通常拥有一组特定的基因，能够表达外膜蛋白、外排泵、降解酶和受体，从而在有毒环境中生存，这使得在高污染环境下环境抗性组会愈发强大[16]。染色体和染色体外因素在引入抗生素抗性方面起着重要作用，而在环境微生物群中，染色体外因素更是导致抗生素抗性产生的主要因素[16]。移动遗传元素能够将获得的抗性基因传递给周围的环境微生物群以及致病病原体。无论是自然存在的还是人为产生的污染物，如重金属，都能触发这一过程[17]。不可忽视的是，环境微生物群在未来可能会成为新的抗生素抗性库。仅仅减少抗生素的使用并不足以解决日益严重的环境问题，还需要探索其他替代性和额外的方法来减缓这一有害趋势。因此，有必要深入研究抗生素抗性的传播机制及其演化驱动因素和触发条件。

微生物大多正在适应在工业和农业废水及其周边栖息地中的生存。病原体中金属耐受基因的增多，是由于突变以及获得外部抗性决定因子所导致的。对污水处理厂中抗生素抗性基因的分析表明，它们常与1类整合子共同出现，这体现了共同选择现象[18]。多项研究强调了重金属污染在环境微生物群中抗生素抗性的产生和传播中所起的关键作用。此外，这一现象还会影响到将细菌作为废物处理中的生物修复或生物降解工具的可行性[19]。有必要对不同污染源中重金属与抗生素残留的共同出现情况展开详细研究。医院废水、工业废水、生活污水和固体废物中的重金属、抗生素残留及微生物群落浓度各不相同，因此应全面分析这些不同介质中的交叉抗性模式。

尽管有越来越多的证据表明重金属污染与抗生素抗性基因的增多有关，但针对有效缓解策略的研究仍然严重不足。大多数研究仅集中在抗生素抗性基因的鉴定和特征分析，以及它们与金属抗性基因的共定位研究上，很少有研究探讨可在实际应用中减少抗生素抗性传播的干预策略。目前还没有一套将重金属、抗生素抗性基因和移动遗传元素整合起来的标准化分析方案。虽然已有许多研究探讨了重金属诱导抗生素抗性的机制，包括共同抗性、交叉抗性以及微生物的适应性变化，但针对缓解策略的研究仍然零散且不够完善。在重金属污染的生态系统中，用于降低抗生素抗性基因环境负荷的实际策略，在数量、范围和现实应用性方面都存在局限。本综述采用了一种整合框架，将重金属来源、驱动抗生素抗性的分子机制以及潜在的缓解策略联系起来。通过分析公共数据库中的环境样本，揭示了参与交叉抗性动态的抗生素抗性基因、金属抗性基因和移动遗传元素之间的关联。

来自工业废水、矿业活动、农业径流和生活垃圾等环境因素会将重金属引入土壤和水生生态系统。这些因素会对微生物群施加强烈的选择压力，引发包括活性氧/应急响应、多重药物外排泵的过度表达以及移动遗传元素的激活在内的分子级反应。该框架进一步整合了针对这一路径不同阶段的缓解策略，包括降低金属浓度、金属螯合、活性氧清除剂、生物膜抑制、改进的废水处理技术以及环境监测。通过将污染源、机制路径和干预策略联系起来，该框架为理解和管理环境中由重金属引发的抗生素抗性提供了系统的视角。本综述综合评述了现有的各种缓解策略，涵盖了生物修复、植物修复、工程化处理技术以及新型分子方法，同时还指出了“同一健康”框架下的新兴解决方案和未来研究方向。基于环境样本公共数据库的宏基因组学研究表明，某些有害物质能够促进特定生物过程的发生。ARGCRediT作者贡献声明：尼尚特·A·达法莱：写作——审稿与编辑、验证、监督、研究设计、概念构建；布米卡·马哈拉纳：写作——初稿撰写、数据可视化、软件应用、正式分析、数据整理。未引用的参考文献[77]、[78]。参与同意书：不适用。数据与材料可用性：本综述文章中使用的宏基因组数据为二手数据，可在NCBI上获取（文稿中已注明访问编号）。代码可用性：不适用。利益冲突：作者声明与本文发表无任何利益冲突。所有作者均已阅读并同意发表该文稿。伦理审批：不适用。出版同意书：所有作者均已阅读并同意发表该文稿。临床试验编号：不适用。资金支持：作者声明在撰写本文稿过程中未获得任何资金、资助或其他支持。利益冲突声明：? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。布米卡·马哈拉纳|尼尚特·A·达法莱，印度那格浦尔440020，CSIR-国家环境工程研究所，可持续环境进程部门。