人为干扰增强细菌介导的耐药组在沉积物–底栖生物–底层鱼类营养连续体中的传递

《Environmental Pollution》：Anthropogenic disturbance enhances bacteria-mediated resistome transmission across the sediment–benthos–demersal fish trophic continuum

　　

摘要

水生生态系统是抗生素抗性基因（ARGs）与毒力因子基因（VFGs）的重要环境储库，然而人为扰动如何通过底栖食物网影响其分布与跨生态位传递，目前仍知之甚少。本研究沿中国太湖流域葛湖的人为扰动梯度，对底泥、底栖无脊椎动物及底层鱼类等不同营养生态位中的抗性组与毒力组进行了系统刻画。宏基因组分析共鉴定出1,645种ARG亚型与1,939种VFG亚型，两类基因池均表现出显著的生态位分化。底泥中两类基因池的丰度与多样性最高，而动物相关生态位则呈现显著但依赖宿主的衰减。值得注意的是，人为扰动显著改变了所有生态位中的ARG与VFG分布格局，在底泥和底栖生物中的效应强于在鱼类肠道中，且总体上与更高的ARG和VFG丰度及多样性相关联。综合来源追踪与细菌—基因关联网络分析进一步表明，细菌传递是介导两类基因池跨营养级扩散的主要途径。人为扰动重塑了各生态位中的细菌群落结构，并增强了细菌沿食物链的迁移，表现为源自上游营养层次的细菌贡献度增加。KEGG功能注释提示，这些被传递的细菌类群具有增强的代谢与适应性功能，如异源物降解能力。在富集的细菌类群中，变形菌门（Pseudomonadota）、放线菌门（Actinomycetota）和厚壁菌门（Bacillota）占主导地位，且具有更高的ARG与VFG携带倾向，从而促进了这些基因的持续存在、扩增与营养级转移。总体而言，我们的研究揭示了人为扰动驱动、微生物组介导的ARGs与VFGs在水生食物网中共传播的机制，凸显了宿主相关微生物选择在水环境健康风险放大中的关键作用。

引言

抗菌素耐药性（AMR）被广泛认为是21世纪最具挑战性的公共卫生问题之一，对全球健康安全与可持续发展构成深远威胁（Abdellah等，2025；Feng等，2025）。细菌既可通过从头突变获得抗生素抗性，也可从其他微生物中获取抗性决定因子；越来越多的证据表明，这两个过程均可在环境相关的选择压力下发生。特别是，远低于临床抑制水平的抗生素浓度仍可通过选择预先存在的抗性变异株或驱动适应性突变的逐步累积来促进抗性演化。例如，一种环境细菌长期暴露于低浓度头孢吡肟下，会发生突变的渐进积累，并最终发展出高水平耐药性（Wang等，2022a）。此外，抗性演化并非仅由抗生素驱动。包括消毒剂、生物杀灭剂和重金属在内的非抗生素污染物，可对环境微生物群落施加额外的选择或共选择压力。近期证据显示，季铵盐化合物可通过外排泵调控、作用靶标修饰及能量代谢改变等机制与抗生素协同作用，加速抗性演化，同时富集具有较高水平转移潜力的抗生素抗性基因（ARGs）（Wang等，2025）。因此，尽管早期研究主要关注暴露于抗生素处理条件下的微生物群体中出现的抗性突变，但不断积累的证据表明，ARGs在环境中的产生、持续存在与传播同样构成AMR危机的一个关键维度（Xiao等，2025）。

一旦抗性决定因子产生或富集，其持续存在与传播可通过抗性细菌类群的垂直传递以及细菌群落间的水平基因转移（HGT）实现。通过接合、转化和转导实现的HGT可使ARGs跨越分类学与生态学界限，其中质粒介导的接合是ARG传播的一条尤为重要途径。重要的是，水平转移的效率并非恒定，而强烈受环境条件、微生物群落结构以及共存污染物的影响。例如，近期土壤微型生态系统实验表明，粪肥添加显著增强了ARGs的质粒介导接合转移，而生物炭添加则明显抑制了这一过程，表明环境条件可直接调控ARGs的移动性（Fang等，2025）。在"同一健康"（One Health）的概念框架下，ARGs日益被视为一种生态环境污染物，通过复杂的传递途径在环境隔室、动物与人类之间循环（Adyari等，2025）。这种跨边界的传播可促进环境抗性组的扩展，并最终增加临床相关病原菌获得抗性性状的概率（Yi等，2024）。

AMR的环境维度近年来日益受到关注，然而目前多数研究与政策努力仍主要聚焦于以人为中心的系统，如医院、污水处理厂和畜牧生产体系（Hotor等，2025；Qian等，2021）。相比之下，尽管证据不断积累，表明自然生态系统是ARGs的巨大储库和演化热点（Nguyen等，2023），它们仍相对缺乏研究。阐明抗性从自然环境向人类传递的生态学机制，对于设计精确而有效的抗生素耐药性控制策略至关重要。

评估与ARG传播相关的生态风险，不仅要考虑其丰度与多样性，还需关注其潜在移动性与致病学背景。特别是，ARGs与毒力因子基因（VFGs）及可移动遗传元件（MGEs）的共发生显著放大了微生物风险。迄今为止，关于ARGs与VFGs环境传播的多数研究是在陆地生态系统中开展的，其中食物网介导的传递已日益被认为是连接环境微生物组与宿主相关微生物组的重要途径（Xie等，2025；Zhu等，2017）。现有证据显示两种相反的格局：一方面，一些研究报告了生物放大效应，即ARG丰度沿食物链递增。Li等（2024）发现，木质部微生物组的大部分来源于土壤，木质部中的ARG丰度比根际高2–6倍。类似地，粪肥添加增强了ARGs从线虫向捕食性螨类的转移，捕食者体内的ARG丰度超过猎物（Zhu等，2019），提示了营养级放大作用。相反，其他研究记录了生物稀释效应，例如土壤无脊椎动物如蚯蚓，其肠道微生物组中的ARG丰度显著低于周围土壤（Cui等，2019；Luo等，2024）。这些相互矛盾的观察表明，目前尚无统一的理论框架来解释抗性组在营养系统间的传递，这暗示了其在生态网络中调控机制的复杂性。

从机制视角看，作为ARGs与VFGs宿主的细菌，可能在介导其沿食物链传递中发挥主导作用。在各营养级之间，细菌很可能作为宿主的"第二基因组"，决定宿主的适应度、生态与行为（Jackrel等，2021；Vatanen等，2022）。因此，宿主对其体表和肠道环境中定殖的关联细菌施加了强烈的选择效应（M?nnich等，2020）。例如，不同的藻类物种即使暴露于相同的微生物接种物，也能选择性地组装出各自独特的藻际细菌联盟（Xue等，2025b）。同样，栖息于相同水生环境中的鱼类肠道中亦观察到宿主依赖性的细菌组成（Kim等，2021）。重要的是，ARGs的分布本质上具有类群依赖性，因为特定的抗性基因倾向于与特定的细菌类群相关联（Hu等，2016；Xue等，2025a）。因此，当较高营养级生物与源自较低营养级的细菌接触时，所形成的抗性组组成不太可能只是上游输入的简单反映，而更可能是相容微生物类群选择性定殖的结果。此外，宿主相关微生物群的组装也与外部环境条件紧密耦合（Eichmiller等，2016；Xiao等，2021）。当宿主遭受外部扰动时，能够有效应对特定需求、促进对环境挑战的定向适应性响应的细菌会被进一步选择（Xue等，2023b；Xue等，2025b）。植物中的"求救"策略即为例证，即宿主招募有益微生物形成抑制病害的群落（Mendes等，2011）。这种适应性微生物重构已被证明会影响抗生素抗性组与毒力组的富集与传播（Xiao等，2025）。综合来看，我们假设，抗性组的营养级传递本质上是情境依赖的，生物放大或生物稀释效应源自宿主驱动微生物选择与外部环境压力之间的相互作用。为弥补目前跨营养系统抗性组传递缺乏统一框架的不足，我们将人为扰动梯度与横跨底泥—底栖生物—底层鱼类连续体的多个生态隔室相结合。通过将细菌来源追踪与ARG及VFG的宿主关联相结合，这一设计使我们能够评估抗性组富集或衰减的相反营养级格局是否与生物环境选择及宿主依赖性微生物筛选的联合作用相关，而非仅由营养位置决定。

水生生态系统是人为污染物的最终汇，持续整合医院与工业废水、生活污水、养殖活动及农业径流的输入，从而使其成为抗性细菌的关键储库与热点区域（Liu等，2026；Maghsodian等，2022）。现有研究大多聚焦于离散的生态隔室，如水柱、浮游植物或动物肠道微生物组（Wang等，2022b）。直到近年，研究才日益探索其跨隔室及食物网传递。例如，已在水—浮游动物—鱼类实验食物链和天然水—浮游生物—鱼类连续体中证实了ARG的转移，而宏基因组研究则揭示了水、底泥及鱼类相关微生物组之间广泛的抗性组连通性（Wang等，2024a；Tian等，2024；Xue等，2025a）。然而，这些研究大多聚焦于上层水体食物网或跨隔室关联，而自然底栖系统内的营养级传递仍缺乏充分解析。特别是，人们几乎不了解底泥相关微生物储库、底栖消费者与底层鱼类在ARGs与VFGs传递中的联系，也不清楚人为扰动与宿主相关微生物筛选如何改变这些过程。与陆地和临床环境相比，抗性组在水生系统中跨营养级传递的机制仍 poorly resolved（尚未明确解析）。在城镇化加速与气候变化的时代，弄清抗性组如何通过水生食物网传播，以及人为扰动如何调节这些过程，对于建立ARGs与VFGs从环境向人类系统传播的机制性和预测性理解至关重要。

因此，我们选择中国江苏的葛湖——一个以人为扰动空间异质性为特征的典型水生生态系统，涵盖城市化区域、农业集水区、养殖区（含网箱与围网养殖系统）及湖泊出水口。我们聚焦于底栖食物链，采集底泥、底栖生物以及两种代表性底层鱼类（光泽黄颡鱼 Pelteobagrus nitidus 和 银鱼状副金线鱼 Paracanthobrama guichenoti Bleeker）样品。具体而言，我们的目标是：(i) 表征底泥、底栖生物和鱼类生态位中ARGs与VFGs的组成与多样性；(ii) 解析沿底泥—底栖生物—底层鱼类连续体的细菌传递，揭示宿主相关微生物群落如何调控ARGs与VFGs沿食物链的传播；以及(iii) 确定人为扰动如何塑造这些过程及其潜在生态学机制。从管理角度出发，识别与环境隔室及与较高ARG与VFG负荷相关的营养级环节，可能有助于为淡水养殖景观中的基于风险的监测与污染控制策略提供信息，特别是在养殖、农业与城市输入交汇的区域。

研究区域片段

葛湖（31°43′04″–31°28′19″ N，119°44′15″–119°52′56″ E）位于中国江苏省南部，是长江三角洲第二大淡水湖泊。其水域面积约164 km2，平均水深1.27 m（Gao等，2023），并拥有由相互连通的河网构成的复杂水文网络（图1A；Han等，2021）。近几十年来，随着该经济活跃地区城市扩张的加速和农业集约化的加强……

水体与底泥对人为扰动的差异性理化响应片段

对于人为扰动如何重塑水生理化环境的机制性理解，是评估其对ARGs或VFGs分布与传播的下游效应，以及评估生态系统健康及相关公共风险所必需的。在底栖水生态系统中，鱼类及其他底栖生物与底泥及上覆水体均处于必然接触状态，而在底泥—水界面则持续发生双向交换……

结论

人为扰动从根本上重塑了水生微生物生态系统，驱动抗生素抗性决定因子与毒力决定因子的协同放大及跨营养级传播。通过将理化环境改变与微生物组重组及宿主相关微生物选择相联系，本研究提示细菌传递是ARGs与VFGs在底泥、无脊椎动物和鱼类之间传播的核心通道。

扰动引起的环境压力不仅

**CRediT作者贡献声明**

许东坡：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，概念构思。薛雪：撰写–初稿，形式化分析，数据管理，概念构思。葛优：方法论，调查，形式化分析，数据管理。孟天新：方法论，数据管理。陈永进：验证，监督，形式化分析。周林军：方法论，调查。

**未引用的参考文献**

Chen和Zhou，2014。

**伦理声明**

本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。伦理委员会批准不是必需的。伦理审批已被豁免，因为本研究仅使用了在独立授权的渔业资源调查过程中已死亡的标本。

**利益冲突声明**

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本文所报告的工作。

**致谢**

本研究得到以下资助支持：中央公益性科研机构基本研究经费（中国水产科学研究院，编号2025JBFR01）；国家自然科学基金（3250131432）；江苏省基础研究计划（BK20250317）；中国博士后科学基金（2025M772803）；江苏省卓越博士后人才资助计划；国家重点研发计划（编号2023YFD2400900）；中央公益性科研机构基本研究经费。

薛雪|葛优|孟天新|陈永进|周林军|许东坡

南京农业大学无锡水产学院，无锡，214081，中国