社区废水中携带 blaCTX-M group 1 的肠杆菌科（Enterobacteriaceae）储库的动态与毒力

《Applied and Environmental Microbiology》：Dynamics and virulence of Enterobacteriaceae reservoirs harboring blaCTX-M group 1 in community wastewater

　　

扩展谱β-内酰胺酶（ESBL）产生菌无处不在，并可引发严重感染。研究人员以未处理社区废水进水作为携带 blaCTX-M group 1 的生物储库，并分析其毒力潜力。研究人员收集了代表高密度城市人口的4座污水处理厂（WWTP）的 raw influent 样本（n=268）。研究人员观察到各 WWTP 中 blaCTX-M group 1 水平均较高，仅比常见人源特异性微生物组粪便标记 Lachno3 与 HF183 低约1–2 log10，且与二者无相关性，表明其与人粪输入缺乏联系。blaCTX-M group 1 基因及假定宿主大肠杆菌（Escherichia coli）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）标记浓度受停留时间与季节影响。扩增子测序显示 blaCTX-M group 1–9 基因多样性高，63%属 group 1。选择性培养与16S rRNA 基因测序显示 blaCTX-M group 1 分离株中26%为 E. coli、26%为 K. pneumoniae、40%为其他肠杆菌科、8%为气单胞菌属（Aeromonas）。E. coli 平均3.6E7 cells/L，其中3%含 blaCTX-M group 1。废水来源 blaCTX-M group 1 E. coli 全基因组测序显示耐药与毒力基因谱近似临床分离株，并不同于其他废水 ESBL 耐药及非耐药 E. coli。废水数据解读需同时考虑含潜在致病生物的环境储库存在，以及输送系统动力学对 WWTP 测得终浓度的重要影响。

研究背景方面，细菌对抗菌治疗的耐药已成为全球公共卫生问题，其严重度、频率与复杂性持续上升。扩展谱β-内酰胺酶（ESBL）是最丰富的耐药酶类，而β-内酰胺类抗生素使用最广。仅调整医疗用药难以根本解决问题，因为环境传播、抗生素耐药基因（ARG）的环境储库、医院外 ARG 存活等因素同样关键。CTX-M 酶家族在院感、社区与环境场景中均高度存在，并推动碳青霉烯类等最后一线药物使用。CTX-M group 1 中的 CTX-M-15 最具临床相关性。未处理废水进水可用于评估人群病原与临床相关 ARG，也可评估 ARG 环境储库；但非靶标自由生活生物会带来背景信号，使从废水推断人源耐药菌携带变得困难。CTX-M 基因起源于环境菌 Kluyvera，经质粒扩散至病原菌。研究人员因此分析四座 WWTP 未处理进水，判断 bla_CTX-M group 1 信号来自人源输入，还是来自临床菌株播种后形成的环境储库或非人粪源生物，并用废水分离株全基因组与临床株大样本比较其起源与毒力。该研究发表于《Applied and Environmental Microbiology》。

关键技术方法方面，研究人员建立2013–2023年密尔沃基 Jones Island（JI）与 South Shore（SS）长期样本队列，并补充2023年 Racine（RAC）与 Green Bay（PLT）样本；采用微滴数字 PCR（ddPCR）定量 bla_CTX-M group 1，定量 PCR（qPCR）检测人粪标记 HF183、Lachno3 及假定宿主 E. coli（uidA）、K. pneumoniae（khe）；用扩增子测序分析 bla_CTX-M group 1–9 多样性；用 ESBL CHROMagar 选择性培养并结合16S rRNA 测序鉴定宿主；对头孢他啶耐药 E. coli 做全基因组测序（WGS），以 CARD、VirulenceFinder 等分析 β-内酰胺酶 ARG 与毒力基因，并进行序列分型（MLST）。

研究结果部分，未处理废水进水中 bla_CTX-M group 1 与生物丰度：JI 平均5.9±0.6 log₁₀ CN/100mL，SS 为6.5±0.7 log₁₀ CN/100mL，接近人源标记仅低1.5–2个数量级；E. coli 约高2倍、K. pneumoniae 约高6倍。RAC 与 PLT 模式相似，说明城市废水普遍高负荷。JI 与 SS 中 bla_CTX-M group 1 有弱但显著上升趋势，而假定宿主无上升趋势。

bla_CTX-M group 1–9 与细菌标记及 WWTP 参数相关性：Boruta 分析显示 JI 中长期样本中 E. coli、HF183、K. pneumoniae 对 bla_CTX-M group 1 重要，flow 与 Lachno3 不重要；JI 日样本中仅 flow 不显著；SS 因停留时间长，无变量重要。人源标记 HF183 与 Lachno3 彼此强相关，但与 bla_CTX-M group 1 低相关，说明信号不完全由人粪输入解释。

温度对 bla_CTX-M group 1 与细菌标记的影响：冷、暖季分析显示人源标记无显著季节差；JI 中 bla_CTX-M group 1 暖季增近2倍，E. coli 增2倍，K. pneumoniae 增3–4倍；SS 中 bla_CTX-M group 1 无显著差异，提示输送系统条件改变生物动态。

bla_CTX-M 扩增子测序：group 1 占63%，前3个 ASV 占56%，大量序列与已知 group 不匹配，可能为未描述基因；BLAST 显示相关物种兼具临床与环境来源。

社区废水 CTX-M 阳性分离株培养：CHROMagar 获48株，22株带 bla_CTX-M group 1–9；group 1 占70%，宿主为 E. coli、K. pneumoniae、其他肠杆菌科与 Aeromonas。培养回收量与原 ddPCR 信号同数量级，说明未遗漏主要载体。

废水 bla_CTX-M E. coli 分离株的 β-内酰胺酶 ARG 与毒力基因谱：WGS 显示临床株 ARG 最丰富，其后为废水 ESBL bla_CTX-M+、废水 ESBL bla_CTX-M?、废水非选择株。bla_CTX-M group 1 废水 E. coli 以 CTX-M-15 与 CTX-M-55 为主，毒力基因谱与临床株聚为一类，非选择与 bla_CTX-M?株聚为另一类；富集毒力基因多为质粒相关如 traT、iutA，非选择株多为染色体相关如 chuA、gad。

讨论部分总结：长期数据表明临床相关 bla_CTX-M group 1 生物被播种入废水系统后增殖，形成高于人源贡献的储库；人粪输入量不足以解释高浓度。JI 与 SS 不同停留时间、BOD、管长导致标记关系不同，说明输送系统不是单纯运输，而是影响存活、累积与潜在增殖。暖季假定宿主增加而人源标记稳定，支持肠杆菌科与气单胞菌属等 resident organisms 在管系中生长。扩增子显示 group 1 为主且有大量未描述序列，培养株52%为 E. coli/K. pneumoniae。基因组显示毒力与耐药在质粒等可移动遗传元件上耦合，支持克隆株输入与增殖而非原位广泛基因转移。废水监测对 NDM 等新兴 ARG 更有用；对已成常见的人用抗生素相关基因，废水负荷可能高于人群储库。

结论部分翻译：本研究补充了日益增长的证据，即由大城市数万公里管道组成的废水输送系统能够增殖 ESBL 细菌，并揭示日益受关注耐药生物的顺序性累积。过去25年 CTX-M group 1 的发生与分布增加，以及社区废水中巨大储库的证据，预示 E. coli 与其他肠杆菌科中碳青霉烯耐药基因可能出现类似情况。虽然废水监测被提议用于了解人群负担，但本研究表明，对已在人群中使用较久的抗生素，社区废水中的负担可能高于人群中的储库。毒力基因谱支持克隆株输入 sewer 后增殖，而非 CTX-M 基因原位转移给未必具备人致病潜力的 E. coli。应对抗菌危机的 One Health 方法需将城市废水系统视为高毒力、高耐药生物的主要储库。