地中海陆海连续体中粪便污染与抗生素耐药性的来源及动态变化

《Journal of Environmental Management》：Sources and dynamics of fecal pollution and antibiotic resistance across a Mediterranean land–sea continuum

　　

摘要

对粪便污染动态及其相关抗生素耐药性的全面理解，对于受强烈水文变异性影响的沿海流域的有效水质管理至关重要。本研究旨在识别人类和动物粪便源的相对贡献，评估污染的空间与时间分布，并评估在对比降雨条件下，地中海陆海连续体（意大利亚得里亚海中部）中特定抗生素抗性基因（ARGs）的出现情况。研究人员在沐浴季节期间采集了表层水和沉积物样本，并使用宿主相关微生物源追踪（MST）标记物和特定ARGs进行分析。人类粪便污染是主导污染源，HF183的持续检出证明了这一点，该标记物在中度和极端降雨事件期间显著增加，表明存在径流和污水溢流的输入。人类腺病毒（HAdV）的出现进一步支持了污水来源的污染，而动物相关标记物的检出频率较低，且空间分布模式更为异质。ARGs，包括四环素抗性基因tetM，被广泛检出，且在淡水位点浓度普遍较高。虽然ARGs的分布受水文变异性的影响，但tetM表现出较低的时间变异性，并在干旱条件下保持相对丰富，表明其具有长期的环境持久性。降雨成为塑造标记物分布的主要驱动因素，水体表现出较高的时间变异性，而沉积物在强降雨事件期间富集，充当次级储库。这些发现为改善水质策略提供了相关见解，并为减轻地中海沿海系统中粪便污染的有针对性的管理行动提供了支持。

《地中海陆海连续体中粪便污染与抗生素耐药性的来源及动态变化》论文解读

一、研究背景与科学问题

粪便污染对全球水生生态系统构成持续挑战，尤其在人类直接接触频繁的沿海水域，对人和动物健康构成显著风险。人类和动物来源的粪便输入可引入多种病原微生物，包括细菌、病毒和原生动物，与胃肠道、呼吸道、皮肤病和眼部感染等相关。传统的 fecal indicator bacteria (FIB) 监测方法虽广泛使用，但存在无法区分污染来源、环境持久性和再生性不确定等固有局限性，在河海交互界面等多源共存、环境驱动因子复杂的区域难以有效支撑目标明确的管理决策。与此同时，抗生素耐药性扩散已成为全球重大公共卫生威胁之一，耐药细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）被确认为全球最严峻的公共卫生威胁之一。沿海水生环境是ARGs和病原菌的重要储库和传播途径，废水排放、医院污水和农业活动均可引入ARGs。粪便污染与ARGs的共同出现凸显了将耐药性指标纳入水质评估体系的迫切需要。然而，在具有强降雨驱动、复杂土地利用和多重污染源特征的地中海小型流域，粪便污染从陆地向海洋的输移过程中，其来源甄别、时空分布规律及其与ARGs的关联机制仍未得到充分解析。本研究选取意大利中部亚得里亚海沿岸的Arzilla流域为典型研究区，旨在填补这一认知空白。

二、研究目标与总体设计

本研究的主要目标包括：（i）利用人类和动物相关MST标记物，表征Arzilla溪流及其邻近沿海水域在干湿天气条件下粪便污染的时空变异性；（ii）评估主要粪便污染源的相对贡献；（iii）评估特定ARGs的出现情况及其对公共健康的影响。研究区域为Arzilla流域，该流域位于意大利中部亚得里亚海沿岸，面积约110 km2，属于地中海典型小流域，具有从上游农业景观向下游城市化区域过渡的明显土地利用梯度。研究在2024年5月至9月间的六次采样事件中展开，涵盖了从干旱到极端降雨的不同气象条件。

三、主要关键技术方法

本研究采用了多项核心技术：(1) 宿主相关微生物源追踪（MST）技术，基于定量PCR（qPCR）平台，针对污水相关Bacteroides HF183标记物、Carjivirus、人类腺病毒（HAdV）、反刍动物相关BacR、犬类相关DogBact、禽类相关GFD以及马类相关HoF597等标记物进行定量检测；(2) ARGs定量检测，靶向blaCTX-M-1（超广谱β-内酰胺酶耐药）、sul1（磺胺类耐药）和tetM（四环素耐药）三类耐药基因；(3) 研究样本队列来源于Arzilla流域的五个河流站点和三个离岸不同距离的海洋站点，水样和沉积物样本均独立提取DNA并采用qPCR技术分析，所有样本均通过Sketa22 PCR抑制检测以确保定量可靠性。

四、研究结果

4.1 环境条件

六次采样事件覆盖了中度降雨（0.9–3.5 mm）、干旱（0 mm）、强降雨（54.8 mm）和极端降水（>190 mm）等不同气象条件。温度、盐度、pH和溶解氧呈现显著时空变异性，降雨影响下盐度显著下降，极端降水期间河口附近盐度降至12.7–15.8 PSU，反映了强淡水输入与水体混合过程。ANOVA分析确认了温度、盐度和溶解氧在不同采样事件间存在显著差异。

4.2 河流-海洋连续体中MST标记物和ARGs的定量

MST分析揭示了人类相关粪便污染在河流-海洋连续体中的主导地位。HF183是检出率最高、丰度最大的标记物，河流水体中浓度水平为2.2–5.4 log?? GC/L，极端降雨期间海水样品中均值接近5.6 log?? GC/L。Carjivirus表现出相似的空间模式，河流水体浓度（3.4–4.8 log?? GC/L）显著高于海水（2.8–4.5 log?? GC/L）。HAdV在河水和海水中均有检出，浓度约2.3–3.5 log?? GC/L。动物相关标记物中，GFD在河流水体的浓度显著高于海水，而DogBact和BacR在河海间的差异不显著。HoF597和blaCTX-M-1在所有样本中均未检出。ARGs中，sul1在河流水体的浓度（5.7–6.2 log?? GC/L）显著高于海水（3.3–5.9 log?? GC/L），而tetM（河流3.9–5.3 log?? GC/L，海水3.5–4.9 log?? GC/L）在河海间的差异未达统计学显著水平。站点比较显示上游站点PT3和SMA的ARG浓度显著高于海洋站点。

4.3 海水与沉积物中MST标记物与ARGs的分布

沉积物样本分析显示，MST标记物浓度普遍低于上覆水体，变异性也较小。HF183和Carjivirus在所有沉积物样本中均有检出，浓度分别为约2.2–2.9和2.3–3.3 log?? GC/g湿沉积物，均显著低于海水中的浓度。值得注意的是，沉积物中Carjivirus的浓度高于HF183，可能反映了病毒与细菌标记物在颗粒物吸附和环境持久性方面的差异。HAdV在两种基质中浓度相近，无显著差异。GFD和DogBact在海水中的浓度显著高于沉积物。ARGs方面，sul1在沉积物中的浓度（约2.8–4.0 log?? GC/g）显著低于海水，tetM在沉积物中（约3.5 log?? GC/g）同样显著低于海水。

4.4 MST标记物与ARGs的降雨事件时间变异性

HF183和Carjivirus在所有采样事件中持续检出，其浓度在极端降雨事件（事件6）期间最高。ANOVA和Tukey事后检验确认事件6的HF183和Carjivirus浓度显著高于其他多数事件。HAdV则表现出有限的时间变异性，各事件间无显著差异。动物标记物中，DogBact在事件1和6期间浓度显著升高，BacR在极端降水期间略有增加，但事件间差异不显著。ARGs方面，sul1在事件2、5和6期间浓度较高，事件间差异显著，而tetM表现出较低的时间变异性，各事件间无显著差异。Spearman相关分析显示，河流样本中HF183与Carjivirus呈强正相关（ρ = 0.94），Carjivirus与HAdV显著正相关（ρ = 0.88），tetM与GFD也显著正相关（ρ = 0.83）。海水样本中，HF183和Carjivirus均与DogBact呈显著正相关。

五、讨论

本研究表明，人类污水是Arzilla流域及其邻近海域粪便污染的主导来源，而降雨是控制污染输移的关键水文驱动因素。人类相关MST标记物（HF183、Carjivirus和HAdV）在河流和海水样本中的持续检出，反映了高度城市化地中海流域中废水排放和污水溢流的典型影响。降雨事件能够显著增强污染物的陆海输移效率，将上游污水来源的粪便指示物和ARGs快速传递至沿海浴场水域。已有的QMRA研究表明，本研究中降雨驱动事件期间观测到的HF183浓度处于与娱乐水体健康风险升高相关的范围内。相比之下，tetM在干旱条件下仍保持相对较高丰度，表明其不仅受近期粪便输入控制，还可能涉及长期环境持久性和沉积物中遗留污染贡献。水体和沉积物的对比分析揭示了两种互补的环境行为模式：水体是粪便污染和ARGs的主要输移介质，对外界扰动响应迅速；沉积物则构成更稳定的环境储库，在特定条件下可发生再悬浮释放。本文还提出，将MST和ARGs监测整合到常规浴场水质评价体系中，并结合降水阈值提前预警，有助于强化气候变化背景下地中海沿海水域的目标化管理。

六、研究结论

宿主相关MST标记物与ARGs的综合应用为Arzilla流域河流-海岸连续体中粪便污染来源、输移路径及其与抗生素耐药性的关联提供了全面评估，深化了对地中海陆海系统中污染动态的理解。人类污水被确认为粪便污染的主导来源，降雨则作为主要的水文驱动因素，控制着粪便指示物和ARGs从内陆水体向沿海环境的迁移与再分配。MST标记物与ARGs的共同出现凸显了粪便污染与抗生素耐药性之间的关联，对娱乐水质和公共健康具有潜在影响。水体和沉积物基质间的差异进一步强调多介质综合评估对区分短期污染事件和长期环境持久性的重要性。尽管本研究局限于单一地中海流域且采样事件数量有限，但为不同水文条件下粪便污染动态的研究提供了坚实的分析框架。未来结合更高时间分辨率采样和更精细的土地利用信息的研究将进一步完善源解析能力。总体而言，将MST和ARGs分析纳入常规水质监测项目，能够在不断增加的人为压力和气候驱动的水文极端事件背景下，为地中海沿海水域的循证管理提供有力支持。