城市化背景下赣江沉积物中与鞘氨醇单胞菌及可移动遗传元件关联的金属抗性基因持续性与迁移潜力

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Urbanization-associated persistence and mobility potential of metal resistance genes linked to Sphingomonas and mobile genetic elements in Ganjiang River sediments

　　

摘要

城市化河流正成为金属抗性基因（MRGs）新兴的热点区域，然而其持续存在和迁移模式远超单纯的水体输移。本研究以赣江为例——一条受工业、生活及水产养殖活动影响的代表性城市化河流——系统调查了配对沉积物和水样中MRGs的丰度、宿主关联特征及其迁移潜力。MRGs表现出明显的介质特异性富集和空间分异特征，沉积物中MRGs、抗生素抗性基因（ARGs）和可移动遗传元件（MGEs）的富集程度均高于水体。差异性分析显示，在沉积物与水体之间存在差异的MRGs中，55%达到了名义p < 0.05的显著性水平，其中82%的基因在沉积物中富集。这一富集现象在工业和养殖影响河段尤为明显，表明沉积物比水体更能记录累积的人为扰动。藻类相关微生物、Sphingomonas-相关类群以及其他功能性微生物与MRGs和MGEs共存的沉积物生境密切相关。多种分析表明，质粒、转座子和插入序列与MRGs的维持和迁移潜力密切相关，路径模型分析揭示了MGEs与MRGs之间的正相关关系（路径系数 = 0.623）。相比之下，单纯测量的总金属浓度并不能完全解释MRGs的变化。MRGs的分布模式与污染诱导的环境变化、微生物群落重构及MGEs富集之间的关联更为密切。总体而言，沉积物似乎发挥着长期抗性储库的功能，其MRGs模式与宿主相关网络及可移动元件网络相关联，凸显了沉积物在人为压力下城市化河流抗性组监测、风险控制和流域管理中的重要性。

引言

抗性基因（RGs）已成为典型的环境风险因素。其生态学意义不仅在于抗性表型的出现，还在于相关遗传决定因子在微生物群落中长期持续存在、持续交换以及跨区室传播[1], [2]。全球综合分析也表明，抗性基因广泛分布于各个环境区室中[3]。现有研究对ARGs关注较多，但MRGs同样值得独立研究。金属具有持久性和不可降解性，来源复杂，并能施加持久的选择压力。这些特性使得金属更有可能在河流、湖泊和沉积物中产生持续的背景胁迫，并驱动MRGs与其他抗性决定因子的共选择[4], [5]。在农业和水产养殖影响系统中也报道了类似的金属驱动共选择现象[6]。此外，交叉抗性也可能涉及广谱外排泵和一般胁迫响应[7]。

对于MRGs而言，沉积物可能比水体列更具信息量。河流沉积物可以积累颗粒结合的细胞、胞外DNA、吸附态金属以及多种有机污染物。它也为生物膜形成、细胞间接触和水平基因转移提供了稳定的微环境。先前研究表明，胞外抗性基因可以在沉积物环境中长期持续存在[8]。后续研究也证实了胞外抗性基因在环境基质中的持续性和转化潜力[9]。非抗生素因素也能促进抗性决定因子的维持和传播，其机制是通过诱导胁迫响应并增加可移动遗传元件的活性[10], [11]。消毒后的全尺度观察进一步表明，非抗生素胁迫可同时增加胞内和胞外抗性基因[12]。Huang等人报道，在水产养殖废水环境中，金属（尤其是Zn²⁺）对抗性基因的扩增和传播的影响比抗生素更强[13]。相关机制包括共选择、质粒介导的水平转移和生理适应。这些观察结果表明，沉积物中的MRGs并非仅仅是水体污染的被动沉降汇，它们更可能参与后续的释放、重组和再传播。

赣江是鄱阳湖系统最重要的入湖河流之一，也是连接上游采矿和农业区、中游城市带和下游入湖河段的关键生态廊道[14]。先前研究表明，赣江及其主要支流受到强烈的人为扰动[15]。关于赣江流域的最新工作进一步将土地利用和景观格局与水质量变化联系起来[14]。不同河段在污染源和环境压力持续性方面存在显著差异，城市和工业河段尤其容易接收长期外部输入。对于本研究而言，这种空间异质性的价值不仅在于简单地显示某些金属浓度偏高，其核心价值在于为识别MRGs的空间重构、宿主选择以及跨区室传播提供了天然的梯度。从过程视角来看，赣江的抗性风险不限于局部富集，上游输入、岸线排放、颗粒沉降、沉积物积累、后续再悬浮和下游输移共同构成了一个连续的迁移链[16], [17]。关于人为活动的河流研究也表明，上游人为输入可以塑造沿径流路径的抗性基因分布[18], [19]。因此，以沉积物为中心的研究更适合识别决定区域尺度传播潜力的关键过程。

近期研究从ARGs、病原体、水生微生物群落和金属污染等角度描述了赣江及类似河流系统的环境风险。然而，针对沉积物相关MRGs的组成、宿主结构、MGEs耦合以及与ARGs共选择的系统性分析仍然缺乏[20]。更广泛的综述同样指出，在理解环境细菌中抗性基因的发生和控制方面仍存在关键空白[21], [22]。在城市化背景下，持久性金属胁迫如何重塑宿主网络和MGEs活性，进而影响MRGs分布的问题仍不清楚[23]。全球分析进一步表明，抗性基因可以广泛地通过持久性环境选择和生物地理过程进行构建[3]。

因此，本研究以赣江沉积物为核心介质，并配对水样，调查城市化河流系统中MRGs的丰度、空间分异、宿主关联特征和迁移潜力。采用HT-qPCR和宿主关联分析对不同河段MRGs进行表征，然后评估ARGs、MGEs和微生物群落的作用。通过整合源密度描述符、沉积物环境特征、宿主关联网络和可移动元件相关过程，本研究旨在阐明MRGs的空间分异以及沉积物和水体在MRGs维持和迁移模式中的不同作用。分析还考察了与抗性基因耦合相关的类群和MGEs，并评估了外源污染、环境参数和微生物演替与MRGs风险之间的关联。研究结果可为流域尺度分区监测和未来机制验证提供依据。

章节摘要

采样设计与样品采集

采样于2025年10月至11月枯水期，在赣江干流城市化河段进行。自南向北设置了13个采样点，涵盖城市岸线、污水处理厂附近水域、休闲水域、码头区域和入湖过渡河段（图1）。每个采样点同步采集表层水样（GW01至GW13）和表层沉积物样（GS01至GS13），共获得26个样品。在5至10 m²范围内，三个

沉积物和水体中MRGs、ARGs和MGEs的分布模式

热图（图2a）显示，大多数目标基因在沉积物中的检出频率更高、富集更强，表明沉积物是MRGs的主要富集区室，也是ARGs和MGEs的重要储库。这一模式可能反映了颗粒结合微生物和胞外遗传物质在沉积物中长期滞留的结果[8], [25]。MRGs、ARGs和MGEs的协同富集表明这些抗性决定因子

结论

赣江中的MRGs表现出显著的介质依赖性构建特征，沉积物似乎作为主要抗性储库发挥着关键作用。在介质间存在差异（名义p < 0.05）的MRGs中，82%在沉积物中富集；工业沉积物中积累的多金属抗性基因与bacR2、ISCR1和IS1133共存，表明抗性基因积累升高且可移动元件关联增强。水体主要反映了近期输入和下游

CRediT作者贡献声明

王楚桥：撰写 – 审阅与编辑。张慧敏：撰写 – 审阅与编辑。姚金驰：撰写 – 审阅与编辑。王雁玲：撰写 – 审阅与编辑。戴慧慧：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、资源、资金获取。朱荣梅：撰写 – 审阅与编辑。李鼎昌：撰写 – 原稿撰写、调查、形式分析、概念构思。黄杉：撰写 – 原稿撰写。邹成龙：撰写 – 审阅与编辑。范晓燕：撰写 –

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竞争性财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到江西省自然科学基金资助（20232BAB213091、20242BAB25196、20232BAB203077、20242BAB25318、20253BAC280100、20224BAB204070、20232BAB203011、20252BAC240329、20242BAB20246及20252BAC240333）；江西省青年科技人才发展项目（20244BCE52137及20252BEJ730160）。

李鼎昌|朱荣梅|戴慧慧|叶晶|范晓燕|邹成龙|王雁玲|姚金驰|张慧敏|王楚桥|黄杉

华东交通大学土木建筑学院环境工程系，中国江西南昌，330100