超越共现：水生系统中抗生素–抗生素抗性基因解耦的解析框架及其对变化世界中水生动物健康的影响

《Animals》：Beyond Co-Occurrence: A Framework for Interpreting Antibiotic–ARG Decoupling in Aquatic Systems and Its Implications for Aquatic Animal Health in a Changing World

　　

摘要专业翻译 抗生素和抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）广泛存在于受气候变化、城市化和集约化水产养殖影响的水生生态系统中。然而，母体抗生素浓度与抗性相关遗传终点指标并非总是在季节、位点或环境介质间平行变化。这种不一致性对于作为生态受体、潜在载体以及抗生素耐药性监测与管理目标的水生动物具有重要意义。为探究传输、滞留和生物过程是否可能促成这些不匹配现象，研究人员开展了一项结构化叙述性综述。研究人员对Web of Science核心合集、Scopus和PubMed中检索到的研究进行了筛选，以获取水生系统中的配对测量数据。在98项现场研究中，有25项提供了足够的配对数据，可用于匹配的化学–遗传评估。其中，16项提供了中等强度证据，9项提供了提示性证据，表明存在耦合、不匹配或介质依赖性响应。没有研究满足更严格的现场支持性遗留持久性标准。季节性反转、空间分异以及水体、颗粒物和沉积物之间的差异表明，仅凭水柱抗生素浓度并不能完全代表ARG丰度。此类测量本身无法评估ARG的移动性或宿主背景。可能的贡献因素包括沉积物和生物膜滞留、胞外DNA、水动力再分布、水平基因转移、转化产物和共选择胁迫因子，尽管它们的相对作用尚未明确。这些发现支持将化学和遗传终点指标与来源、水文、介质和宿主信息相结合的监测策略，以服务于水生动物风险评估与管理。

论文主体内容总结

1. 引言

抗生素耐药性（antimicrobial resistance, AMR）构成环境、动物健康和公共卫生方面的多重关切。水生环境汇集了抗菌药物残留、耐药微生物、抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件（mobile genetic elements, MGEs）。磺胺类（SAs）、氟喹诺酮类（FQs）、四环素类（TCs）和大环内酯类（MLs）在河流、湖泊、水库、河口和近岸水域中被广泛检出。主要输入来源包括市政污水、畜禽养殖、水产养殖、药物使用及其他人类活动。水生动物作为生态受体和潜在载体值得关注，其暴露途径可能涉及周围水体、悬浮颗粒物、沉积物、饵料及动物相关微生物群落。已有实验和现场证据表明，水生生物可促进ARGs的环境传播。许多研究记录了水生环境中抗生素与ARGs的共现现象，但共现本身并不能证明这些终点指标具有共同的来源、环境归趋或响应轨迹。化学终点指标与遗传终点指标受部分不同的环境过程调控，水柱抗生素浓度可能不同于沉积物、生物膜或动物相关微生物群落的暴露历史。以往综述多聚焦于抗生素和ARGs的发生、来源、归趋与生态效应，而对母体抗生素浓度与抗性相关遗传终点指标在同一现场系统中的方向一致性及解耦解释关注不足。

2. 综述方法

本研究采用结构化叙述性证据综合方法，检索了Web of Science核心合集、Scopus和PubMed三个数据库，时间范围为建库至2026年7月23–24日。三个数据库共识别出21,326条记录，经DOI和规范化标题去重后保留10,513条进入两阶段标题/摘要筛选。筛选后438篇候选文献进入全文评估，经补充记录核对后新增11篇，最终449篇报告接受全文评估。研究选择依次应用以下标准：首先，仅当研究涉及自然或半自然水生系统，且在同一研究中同时报告母体抗生素测量和ARG/MGE终点指标时，才进入更广泛的现场证据池；其次，进入核心匹配响应编码还需满足化学与遗传观测可按采样位点、时期、事件、干预或环境介质对齐、具备研究支持的内部比较器或参考条件、以及具备足够结果层面信息以解读化学和遗传响应方向等条件。最终98项现场研究符合资格，其中27项具备最终匹配响应评估的充分信息，25项进入核心分析数据集。证据分级反映的是配对化学–遗传响应可解读性的置信度，而非整体研究质量或因果归因。中等证据表示无重大可比性或分辨率限制、可直接解读的配对响应；提示性证据表示存在一个或多个实质性限制解读的局限。遗留持久性采用更严格的标准单独评估，要求有记录的抗生素输入或化学选择压力的持续下降、时间有序的配对化学–遗传观测、适当的归一化以及考虑持续输入或水动力再分布。

3. 抗生素–ARG解耦的概念与解释框架

ARG轨迹可能与其共现、被传输或被选择的抗生素轨迹不同。背景抗性组包含未证明近期人为影响的抗性决定因子；人为输入指来自废水、畜禽养殖、水产养殖或工业排放的耐药生物、ARGs或MGEs的直接引入；环境富集指相对于可辩护的环境参考的ARG丰度、表达、移动性或宿主范围增加；选择支持的原地扩增指有证据表明受纳环境中的选择、生长或水平转移促成了该富集；遗留持久性指在相关抗生素输入或化学选择压力经记录并持续下降后，抗性相关遗传终点指标仍保持升高、活跃或可移动。抗生素–ARG解耦被定义为在特定系统、时期和环境介质内，母体抗生素暴露轨迹与人为富集的抗性组轨迹之间的不匹配。遗传证据涵盖四个响应维度：持久性、富集、表达和移动化。化学–遗传不匹配在评估了合理解释替代方案时最具信息价值，包括持续或重复输入、水文混合、细菌生物量变化和粪便污染。中等和提示性分级描述的是对观测到的配对化学–遗传响应模式的置信度，而现场支持的遗留持久性推断需要更严格的推断标准。

4. 跨系统抗生素–ARG解耦的证据

25项保留的配对现场研究涵盖受纳污水河流、混合用途流域、湖泊和水库、水产养殖水域、河流–河口连续体和水体–沉积物比较。16项研究通过配对季节、空间、干预或介质比较提供了中等证据，9项因归一化、基质可比性、参考条件或来源归因不完整而提供提示性证据。多项研究报告了抗生素和ARGs的协同响应，如通过水库生态净化设施时两者共同下降、废水排放口附近或低流量时期两者均升高、鄱阳湖和赤水河旱季均出现最大值等。最清晰的季节性不匹配出现在同一观测活动中抗生素和ARG响应方向相反的情况：两个亚热带流域的水柱抗生素旱季较高，而16S归一化ARG丰度雨季较高；松辽盆地抗生素旱季达峰值，而相对ARG丰度和可培养耐药菌雨季达峰值。空间证据同样显示化学和遗传信号可在受纳系统中分异，如荷兰受纳污水河流中多种ARGs在抗生素已下降的下游远处仍可检出。跨介质比较提供了化学和遗传信号在水体、颗粒物和沉积物间分布不同的定量证据，如某水体–颗粒物–沉积物比较中总抗生素浓度为地表水1405.45 ng/L、悬浮颗粒物892.59 ng/g、沉积物542.64 ng/g，但沉积物被确定为ARG的主要储库。现场不匹配证据表明化学–遗传解耦在季节、距离和介质间反复出现，但直接检验衰退后遗留持久性需要记录来源或选择压力的下降、充分随访以及同步测量持续输入、水文、生物量和粪便输入。

5. 产生并维持化学–遗传不匹配的相互作用机制

水动力可通过水文记忆产生化学–遗传不匹配，早期输入的物质可储存于颗粒物、沉积物、生物膜和上游介质中，随后再 mobilization。三峡库区的水动力模型结果表明，源输入、下游传输、降解和沉积物相互作用会在位置和相态间重新分配抗生素质量。河流中，点源输入、下游平流、支流混合和稀释可产生母体抗生素浓度的陡峭局部梯度，而ARG测量在活跃排放口附近可能呈现相似空间模式，但在更下游处化学和遗传模式可能分异。湖泊和水库具有更长的滞留时间、分层和反复的沉积物–水交换，可滞留过去输入的物质并延迟恢复。河口则经历潮汐混合、盐度梯度和颗粒物捕获。风暴、洪水、干旱、水库泄水和潮汐再悬浮可 mobilize颗粒物结合型抗生素和携带ARG的物质、稀释溶解态化合物或重新连接储存与当代输入。沉积物经常含有大量ARG库存并可能作为遗传储库，其作用最好通过研究内归一化丰度、质量分布、颗粒物结合或实验解析的滞留来评估。噬菌体介导的转导可在细菌宿主间移动抗性决定因子，而噬菌体颗粒可保护包装的DNA免受降解并支持跨介质传输。母体抗生素根据化合物性质和位点化学在溶解态水、悬浮颗粒物、沉积物、生物膜和生物体之间分配。非生物储库（包括沉积物和悬浮颗粒物）可比单一水样整合更长时间的暴露，生物膜和其他生物介质可能同样如此。测量的母体抗生素下降可能伴随着来自转化产物、改变后的生物可利用性或分配到颗粒物和沉积物中的持续化学压力，某些抗菌转化产物保留甚至可能超过母体化合物的生态毒理或选择相关活性。重金属（包括铜、锌和镉）经常与抗生素在水生系统中共存，共抗性、交叉抗性和共调控可使金属暴露独立于母体抗生素维持或富集抗性决定因子。微塑料可提供细菌、抗生素、金属和胞外DNA共存的表面，现场结构方程模型将微塑料与抗性组传播相关联，主要通过宿主群落富集。亚致死消毒剂暴露提供了另一条潜在的共选择途径，低剂量氯可诱导氧化和DNA修复响应、改变宿主组成并增加ARG丰度和转录活性。这些机制可相互作用而非独立运行，其联合作用可表现为化学–遗传滞后、水文记忆、风险位移或阈值降低，每种系统属性对应不同的测量策略。

6. 化学–遗传不匹配对水生动物和One Health的风险意义

母体抗生素浓度仍与毒理学暴露相关，但不能完全反映抗性相关风险。化学衰减可能伴随着持续的ARG输入、颗粒物或沉积物滞留、移动遗传元件、改变的宿主群落或转化产物。水生生物既是生态受体，也是环境残留、抗性决定因子与人类暴露之间的潜在联系。残留积累取决于化合物和物种，而遗传风险更直接取决于活宿主、移动元件、表达和转移潜力。环境、动物、食品和临床抗性组是相互关联的，临床相关基因和质粒可在这些领域间移动，但基因组背景、宿主分辨率、来源追踪和时间或流行病学关联可澄清传播途径和方向性。在水产养殖系统中，环境ARG富集本身并不能证明传播至养殖动物或沿食物链继续传递，更强的推断需要环境来源、动物相关宿主或移动元件以及时间解析的暴露或转移证据之间的关联。

7. 水生AMR管理的监测与干预优先事项

配对现场研究反复报告季节、空间和介质不匹配，母体抗生素浓度应与来源、水文和遗传背景结合解读。监测可围绕四个系统属性组织，优先设计为源头削减或前后对比研究，应解析持续输入和水动力再分布、将遗传终点指标归一化至细菌生物量或细胞丰度、并测量MGEs、宿主背景、转化产物和主要共选择因子。监测应扩展至水相测量之外，包括沉积物、生物膜、悬浮颗粒物、微塑料、潜流带和生物区，并纳入水文事件采样。未来研究应在可行时将遗传方法与常规微生物学测定结合，遗传分析可识别抗性决定因子及其基因组背景，而培养分离和抗菌药物敏感性测试可评估活微生物的表型耐药性。转化途径和代谢物风险在现场条件下仍未得到充分解析，最小选择浓度（minimum selective concentrations, MSCs）大多来源于单物种和单抗生素实验，金属共选择、消毒剂压力、种间竞争和生物膜结构可能改变有效选择阈值。传统生态风险评估主要基于预测环境浓度/预测无效应浓度（PEC/PNEC）比值处理顶端毒理学效应，整合抗性选择、HGT和ARG移动性可将该框架扩展至抗性相关终点指标。干预措施应针对监测设计所识别的过程：持续输入占主导时优先考虑抗菌药物管理、源头削减和升级废水处理；水文记忆或风险位移占主导时应处理储存、再悬浮和传输；沉积物或颗粒物储库占主导时可考虑监测自然恢复、针对性移除、薄层覆盖和反应性改良。成本效益不能仅从化学去除推断，应将干预成本与避免的抗生素和抗性相关风险质量相结合进行比较。

8. 总结与展望

本综述最重要的发现是母体抗生素浓度与抗性相关遗传终点指标在水生系统中并不遵循单一的、可推广的轨迹。在25项配对现场研究中，16项提供中等证据、9项提供提示性证据支持耦合、不匹配或介质依赖性响应，而没有一项满足现场支持的遗留持久性的更严格标准。反复出现的观测包括抗生素与ARGs之间的季节性反转、化学衰减后ARGs在下游持续检出、以及水体、悬浮颗粒物、沉积物和生物膜之间的分异。三组机制对解释这些观测尤为重要：储存和再分布过程、生物持久性和移动性、以及残留或替代选择压力。管理应针对主导来源和过程而非仅针对ARG丰度，前后对比和源头削减研究对于确定干预措施是否不仅减少化学暴露还减少移动和宿主相关抗性信号至关重要。随着气候变化、城市化和水产养殖扩张持续重塑水生生态系统，将水生动物视为抗生素耐药性的生态受体、载体和监测与管理目标，对于保障变化世界中的水生动物健康和食品安全至关重要。