受污染的雨水管道排放物在下游沉积物中抗生素抗性基因积累中所起的作用被低估了

《Journal of Hazardous Materials》：Underappreciated role of polluted storm sewer discharge in the accumulation of antibiotic resistance genes in downstream sediments

　　

摘要

受污染的雨水排水系统是污染物进入受水体的重要途径，但该系统排放物与下游沉积物中抗菌素耐药性之间的关联仍不十分清楚。我们通过宏基因组测序和分类方法，研究了六个雨水排水口上下游的河水及沉积物中抗生素耐药基因的分布情况，并分析了这些排水口的样本。下游沉积物中的抗生素耐药基因谱介于上游沉积物和雨水排水口沉积物之间，表明其与后者存在成分上的关联。在下游沉积物中，获得性抗生素耐药基因（磺胺类和四环素类耐药基因）较为丰富，而内在染色体耐药决定因子mexB也呈现类似趋势，这与它们在雨水排水口排放物中的高丰度相符。SourceTracker分析显示，上游和水源相比，上游地区以及雨水排水口是下游沉积物中抗生素耐药基因的主要来源，占比达87%。下游水体中悬浮固体含量介于雨水排水口水和上游水之间，这一特征进一步支持了颗粒物介导的污染物传输。磺胺类耐药基因与假定的质粒序列相关，且常与qacEdelta1和IS91共存，这表明它们可能具有移动性。Azonexus是磺胺类和四环素类耐药基因的主要潜在宿主，而Pseudomonas_E则与mexB的富集有关。总体而言，这些研究结果表明雨水排水口是导致下游沉积物中抗生素耐药基因出现的重要人为因素。

引言

抗菌素耐药性是全球范围内的公共卫生问题，由于不当使用抗生素，这类病原体感染带来的风险日益增加。因此，亟需通过“同一健康”框架来评估抗菌素耐药性风险——这一框架不仅涵盖传统的临床环境，还包括那些承载并推动抗生素耐药基因发展的环境载体，以及抗菌素耐药性在人类和动物之间传播的途径[1]。

河流沉积物是抗生素耐药基因的重要储存库[2]。这些基因在沉积物中的存活和持久性受到细菌沉积、环境条件、微生物相互作用以及沉积物动态等因素的影响[3]。与上层水相比，沉积物为密集的微生物群落和附着在颗粒上的细菌提供了生存环境，有助于维持和交换抗生素耐药基因[4]。此外，如沉积物重新悬浮之类的干扰可能会改变细菌与颗粒之间的结合稳定性[4]，进而影响水中抗生素耐药基因的分布[5]。正是由于这些特性，河流沉积物既可作为抗生素耐药基因的长期储存地，也可成为其二次来源。

外部污染输入被认为是影响河流沉积物中抗生素耐药基因数量和构成的重要因素。不过，现有研究主要聚焦于污水排放等污染源，而针对受污染雨水排水系统的研究则相对较少。由于卫生污水处理设施损坏或存在非法连接（即未经许可、违反规定的管道连接，将未经处理的污水引入雨水排水系统），雨水排水系统会接收未经处理的污水[6]。在中国、美国及其他国家的城市地区，这类雨水排水系统极为普遍[7][5]。由于未经处理的污水中含有大量抗生素耐药基因和致病菌，雨水排水系统很可能成为这些污染物的重要储存库。由于这些排水口的水体和沉积物中抗生素耐药基因及耐药细菌的丰度很高[7][8]，因此它们是抗生素耐药基因从排水系统进入河流的关键节点。在暴雨期间，积累在排水系统中的沉积物可能会重新悬浮，并随未经处理的污水和雨水一同被排出[9]，从而向下游沉积物输入大量的抗生素耐药基因、耐药细菌以及与雨水排水系统相关的污染物[5][9]。不过，目前尚不清楚下游沉积物中的抗生素耐药基因在构成和数量上是否与上游沉积物存在差异。

Donovan等人研究了从合流制污水排放口附近的河流沉积物中分离出的培养细菌的抗生素耐药表型[10]。然而，表型分析只能提供有限的信息，无法揭示抗生素耐药基因的多样性、丰度、基因组背景及其潜在宿主。尽管合流制污水排放和雨水排水系统的排放物都包含未经处理的污水、雨水径流以及重新悬浮的沉积物等相似成分，但目前仍不清楚下游沉积物中的抗生素耐药基因是否具有与移动性相关的独特基因组特征，以及哪些微生物类群可能是它们的潜在宿主。

为填补这些知识空白，本研究采用了六个雨水排水口上下游对照采样、基于SourceTracker的来源追溯、抗生素耐药基因与移动遗传元件基因组背景分析，以及基于宏基因组组装基因组的宿主识别等方法。这一综合分析框架使我们能够：（1）了解上下游沉积物中抗生素耐药基因谱的差异；（2）判断这些差异是否与雨水排水系统的排放有关；（3）明确下游沉积物中抗生素耐药基因的移动性相关基因组特征及其潜在宿主。通过结合宏基因组测序和分类技术，本研究揭示了城市雨水排水系统作为导致下游沉积物中抗生素耐药基因变化的重要途径这一此前未被重视的作用。

章节节选

研究区域与样本采集

研究区域与河流样本采集

西湖河流域是研究雨水排水系统排放物与下游沉积物中抗生素耐药基因关联的理想模型，因为其特点与许多老旧城市区域相似。这些特点包括老化严重的污水处理设施，容易导致污水非法接入雨水排水系统；独立的污水系统；以及以住宅用地为主的土地利用类型（见图S1）。该河流位于长江下游的M市境内（见图1a），全长26.1公里

雨水排水系统作为抗生素耐药基因输入的潜在来源

雨水排水系统逐渐被视作污染物进入受水体的重要途径，但其对下游沉积物中抗生素耐药基因形成的影响仍需进一步研究。抗生素耐药基因分析显示，在雨水排水系统的水体、沉积物，以及河流水体（包括上下游水体）和沉积物（包括上下游沉积物）中均检测到了19种不同的耐药基因类型。不同样本中的抗生素耐药基因谱的香农指数存在显著差异

结论

河流沉积物和雨水排水系统都是抗生素耐药基因的储存库，但雨水排水系统排放物与下游沉积物中抗生素耐药基因谱之间的关联仍不十分清楚。本研究通过上下游对照采样方法，首次提供了将雨水排水系统排放物与下游沉积物中抗生素耐药基因分布模式联系起来的实地证据，同时明确了这些抗生素耐药基因的基因组特征及其潜在宿主。研究结果表明，下游沉积物中的抗生素耐药基因呈现出过渡性特征

环境意义

雨水排水系统在城市流域中广泛存在，但却常常被忽视，实际上是抗菌素耐药性的重要来源。本研究表明，雨水排水系统的排放物不仅会促进抗生素耐药基因的传播，还会增加下游沉积物中这类基因的丰度。由于沉积物可能成为抗生素耐药基因的长期储存库和二次来源，因此应将雨水排水系统的治理和监测纳入城市抗菌素耐药性管理及“同一健康”监测策略之中。这些措施有助于提升风险评估水平，为更好的流域管理提供支撑。

CRediT作者贡献说明

张宇：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，软件应用，方法设计，实验研究，正式分析，数据整理，概念构建。徐祖欣：指导，资源提供，项目管理，资金筹集，概念构建。楚文海：指导，项目管理，资金筹集。叶成：写作——审阅与编辑，结果验证。何欢：写作——审阅与编辑，结果验证。马丽萍：写作——审阅与编辑，结果验证。张静怡：

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家关键研发计划（2021YFC3200700、2021YFC3200702）以及广东省重点领域研发计划（2020B1111350001）的资助。

张宇|徐祖欣|楚文海|何欢|马丽萍|张静怡|叶成

中国上海同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化国家重点实验室，邮编200092