陳奕涵：環(huán)境介質(zhì)是影響當(dāng)代水環(huán)境中抗性基因動(dòng)態(tài)變化的重要瓶頸

———陳奕涵：環(huán)境介質(zhì)是影響當(dāng)代水環(huán)境中抗性基因動(dòng)態(tài)變化的重要瓶頸本文是來自合肥工業(yè)高校資源與環(huán)境工程學(xué)院陳奕涵的文章。接下來，遵循自愿的原則，根據(jù)MakingWaves的格式，我們將在公眾號間續(xù)刊發(fā)本期特刊的文章精華：

文章亮點(diǎn)

水庫消落區(qū)土壤介質(zhì)是抗性基因的重要儲(chǔ)存庫

水體、沉積物和土壤介質(zhì)中抗性基因增殖方式不同

水環(huán)境介質(zhì)顯著影響抗性基因和可移動(dòng)遺傳原件基因的組成

闡明水庫系統(tǒng)水體、沉積物和土壤中影響抗性基因動(dòng)態(tài)變化的主要機(jī)制

文章簡介

自抗生素被發(fā)覺和使用以來，其在環(huán)境中的殘留大大促進(jìn)了抗生素抗性基因（ARGs）的傳播；同時(shí)隨著復(fù)合型水環(huán)境污染的加劇，很多ARGs、病原微生物以及超級抗性細(xì)菌也通過直接排放或者間接環(huán)境運(yùn)輸從而最終進(jìn)入水環(huán)境，這些均不同程度地增加了水環(huán)境中ARGs和抗性細(xì)菌的數(shù)量和豐度。由于ARGs兼具有“可復(fù)制或傳播”的生物特性和“不易消亡或環(huán)境長久”的物理化學(xué)特性，2022年首次被列為新興環(huán)境污染物；同時(shí)借助于微生物全球遷移活動(dòng)，這也使得ARGs的傳播超越了國界，2022年英國召開G8峰會(huì)已將抗生素抗性問題列為首要議題，2022年杭州G20峰會(huì)也再次將抗生素抗性問題列為國際性問題，已被視為影響世界經(jīng)濟(jì)進(jìn)展的深遠(yuǎn)因素。因此，有關(guān)ARGs在生態(tài)環(huán)境中賦存特征、傳播機(jī)制、風(fēng)險(xiǎn)評估以及管控已成為科學(xué)討論和制約社會(huì)進(jìn)展的重要時(shí)代性話題。

水環(huán)境作為污染物主要的受納和賦存場所，在各類污染物收集運(yùn)輸、遷移和轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)前，來自生產(chǎn)生活，醫(yī)院和畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的大量ARGs、耐藥細(xì)菌和抗生素通過各種廢物流釋放到水環(huán)境中。討論表明我國2022年抗生素入水環(huán)境總量約為24748噸，2022年ARGs入水環(huán)境排放負(fù)荷約為9.47×1013copies/人/天。這些進(jìn)入水環(huán)境中抗生素和ARGs并不會(huì)馬上消逝，抗生素可能會(huì)借助于可移動(dòng)原件基因，加速抗性基因橫向轉(zhuǎn)移從而促進(jìn)ARGs的傳播。與此同時(shí)，值得留意的是，水壩（水庫）的建設(shè)在過去的幾十年中呈加速趨勢，目前世界范圍內(nèi)的水資源管控過程中已建筑了約50,000個(gè)大型水壩，在防洪、澆灌、水源供應(yīng)等方面擔(dān)當(dāng)著特別重要的功能。水壩作為人類活動(dòng)對全球流域的最大干擾，也使得水庫系統(tǒng)被視為當(dāng)代水環(huán)境中的一種典型。眾所周知，這些水壩存在會(huì)轉(zhuǎn)變水文特征并影響自然水生環(huán)境的生態(tài)連通性。例如，水庫存在會(huì)延長水力停留時(shí)間，促進(jìn)顆粒沉積物的沉積，伴隨著季節(jié)性水位漲落也會(huì)形成水庫消落區(qū)。消落區(qū)作為陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡區(qū)，在維持地球化學(xué)過程和生物多樣性方面也發(fā)揮著重要作用。為此，諸多討論人員認(rèn)為水庫系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由水、沉積物和消落區(qū)組成。盡管如此，從前的討論主要集中在水庫部分功能區(qū)的養(yǎng)分元素循環(huán)，重金屬和長久性有機(jī)污染物污染等方面，而系統(tǒng)性地開展水庫系統(tǒng)中抗性基因的討論尚且匱乏，特殊對于水源型大型水庫系統(tǒng)。

此外，面對當(dāng)前水環(huán)境中普遍存在的抗性問題，特別有必要去闡明ARGs主要?jiǎng)討B(tài)機(jī)制并評估影響其動(dòng)態(tài)變化的主導(dǎo)因素。分子生物學(xué)理論討論表明不同微生物之間的抗生素抗性可以通過橫向基因轉(zhuǎn)移（HGT）和垂向基因轉(zhuǎn)移（VGT）獲得，而通過可移動(dòng)遺傳元件基因（MGEs）進(jìn)行的HGT可能是ARGs增殖和集中的主要因素。雖然如此，不同討論學(xué)者對于真實(shí)水環(huán)境中驅(qū)動(dòng)抗性基因動(dòng)態(tài)變化關(guān)鍵因素的確定仍存在肯定差異，這也說明目前關(guān)于水環(huán)境中影響ARGs主導(dǎo)因素的探究尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而就當(dāng)代水環(huán)境而言，應(yīng)對水庫水環(huán)境中影響ARGs的主要因素及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行綜合性的討論，這對于更好地理解水庫系統(tǒng)中ARGs污染和管控具有重要意義。

基于上述，本討論依托于“十二五”國家重大科技水專項(xiàng)“東江上游典型集水區(qū)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)掌握技術(shù)集成與綜合示范”課題（編號：2022ZX07206001），選擇廣東省最大的干流型水庫——楓樹壩水庫為例，借助于高通量熒光定量PCR、Illumina測序、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜、結(jié)構(gòu)方程模型等方法手段，試圖明確楓樹壩水庫環(huán)境（水體、沉積物和消落區(qū)土壤）中ARGs時(shí)空污染特征，旨在（1）探究環(huán)境介質(zhì)對水庫系統(tǒng)中ARGs多樣性、豐度和分布的影響；（2）揭示驅(qū)動(dòng)水庫系統(tǒng)中ARGs動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵機(jī)制，并闡明驅(qū)動(dòng)其傳播的關(guān)鍵因素。

重要結(jié)論

1.環(huán)境介質(zhì)會(huì)影響ARGs和MGEs結(jié)構(gòu)組成及共發(fā)生模式，較之沉積物和消落區(qū)土壤介質(zhì)，水體中ARGs多樣性更為豐富。

2.水體中ARGs增殖通過HGT和VGT兩種途徑進(jìn)行，而沉積物和土壤中ARGs主要增殖途徑分別為HGT和VGT。

3.水體和沉積物中影響ARGs動(dòng)態(tài)變化的主要因素為MGEs，而土壤中則為細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。

4.環(huán)境介質(zhì)通過影響MGEs、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成、細(xì)菌生物量、抗生素和基本環(huán)境要素，從而使得水庫系統(tǒng)中水體、沉積物和土壤介質(zhì)中ARGs動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)機(jī)制存在差異，最終成為制約水環(huán)境中ARGs傳播的瓶頸。

5.水庫系統(tǒng)中ARGs污染和傳播問題應(yīng)綜合考慮水體、沉積物和消落區(qū)土壤介質(zhì)，但對于每個(gè)介質(zhì)中ARGs驅(qū)動(dòng)機(jī)制則應(yīng)區(qū)分對待。

簡介：陳奕涵，男，合肥工業(yè)高校資源與環(huán)境工程學(xué)院老師，主要討論方向?yàn)樗廴菊莆铡２┦慨厴I(yè)于上海交通高校環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院水體污染掌握與治理團(tuán)隊(duì)，師從何義亮教授。水體污染掌握與治理團(tuán)隊(duì)依托上海交通高校水污染掌握設(shè)計(jì)討論所以及上海交通高校?新加坡國立高校環(huán)境與進(jìn)展聯(lián)合討論中心（團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人何義亮教授受聘新加坡國立高?？妥淌冢?，致力于流域水體污染掌握與水環(huán)境修復(fù)基礎(chǔ)理論討論與技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。近年團(tuán)隊(duì)擔(dān)當(dāng)了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目11項(xiàng)，青年基金2項(xiàng)；國家重大科技水專項(xiàng)課題2項(xiàng)，子課題4項(xiàng)；國家重點(diǎn)研發(fā)方案課題1項(xiàng)，重大國際合作項(xiàng)目課題2項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)成員以第一或通訊在Environ.Sci.Technol.，WaterRes，EnvironInt，JournalofMembraneSci.等重要期刊上發(fā)表SCI論文118篇；得益于“十一五”、“十二五”東江水專項(xiàng)課題的開展，形成了一系列流域面源污染治理與水體生態(tài)修復(fù)成套技術(shù)。

本文是來自合肥工業(yè)高校資源與環(huán)境工程學(xué)院陳奕涵的文章。接下來，遵循自愿的原則，根據(jù)MakingWaves的格式，我們將在公眾號間續(xù)刊發(fā)本期特刊的文章精華：

文章亮點(diǎn)

水庫消落區(qū)土壤介質(zhì)是抗性基因的重要儲(chǔ)存庫

水體、沉積物和土壤介質(zhì)中抗性基因增殖方式不同

水環(huán)境介質(zhì)顯著影響抗性基因和可移動(dòng)遺傳原件基因的組成

闡明水庫系統(tǒng)水體、沉積物和土壤中影響抗性基因動(dòng)態(tài)變化的主要機(jī)制

文章簡介

自抗生素被發(fā)覺和使用以來，其在環(huán)境中的殘留大大促進(jìn)了抗生素抗性基因（ARGs）的傳播；同時(shí)隨著復(fù)合型水環(huán)境污染的加劇，很多ARGs、病原微生物以及超級抗性細(xì)菌也通過直接排放或者間接環(huán)境運(yùn)輸從而最終進(jìn)入水環(huán)境，這些均不同程度地增加了水環(huán)境中ARGs和抗性細(xì)菌的數(shù)量和豐度。由于ARGs兼具有“可復(fù)制或傳播”的生物特性和“不易消亡或環(huán)境長久”的物理化學(xué)特性，2022年首次被列為新興環(huán)境污染物；同時(shí)借助于微生物全球遷移活動(dòng)，這也使得ARGs的傳播超越了國界，2022年英國召開G8峰會(huì)已將抗生素抗性問題列為首要議題，2022年杭州G20峰會(huì)也再次將抗生素抗性問題列為國際性問題，已被視為影響世界經(jīng)濟(jì)進(jìn)展的深遠(yuǎn)因素。因此，有關(guān)ARGs在生態(tài)環(huán)境中賦存特征、傳播機(jī)制、風(fēng)險(xiǎn)評估以及管控已成為科學(xué)討論和制約社會(huì)進(jìn)展的重要時(shí)代性話題。

水環(huán)境作為污染物主要的受納和賦存場所，在各類污染物收集運(yùn)輸、遷移和轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)前，來自生產(chǎn)生活，醫(yī)院和畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的大量ARGs、耐藥細(xì)菌和抗生素通過各種廢物流釋放到水環(huán)境中。討論表明我國2022年抗生素入水環(huán)境總量約為24748噸，2022年ARGs入水環(huán)境排放負(fù)荷約為9.47×1013copies/人/天。這些進(jìn)入水環(huán)境中抗生素和ARGs并不會(huì)馬上消逝，抗生素可能會(huì)借助于可移動(dòng)原件基因，加速抗性基因橫向轉(zhuǎn)移從而促進(jìn)ARGs的傳播。與此同時(shí)，值得留意的是，水壩（水庫）的建設(shè)在過去的幾十年中呈加速趨勢，目前世界范圍內(nèi)的水資源管控過程中已建筑了約50,000個(gè)大型水壩，在防洪、澆灌、水源供應(yīng)等方面擔(dān)當(dāng)著特別重要的功能。水壩作為人類活動(dòng)對全球流域的最大干擾，也使得水庫系統(tǒng)被視為當(dāng)代水環(huán)境中的一種典型。眾所周知，這些水壩存在會(huì)轉(zhuǎn)變水文特征并影響自然水生環(huán)境的生態(tài)連通性。例如，水庫存在會(huì)延長水力停留時(shí)間，促進(jìn)顆粒沉積物的沉積，伴隨著季節(jié)性水位漲落也會(huì)形成水庫消落區(qū)。消落區(qū)作為陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡區(qū)，在維持地球化學(xué)過程和生物多樣性方面也發(fā)揮著重要作用。為此，諸多討論人員認(rèn)為水庫系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由水、沉積物和消落區(qū)組成。盡管如此，從前的討論主要集中在水庫部分功能區(qū)的養(yǎng)分元素循環(huán)，重金屬和長久性有機(jī)污染物污染等方面，而系統(tǒng)性地開展水庫系統(tǒng)中抗性基因的討論尚且匱乏，特殊對于水源型大型水庫系統(tǒng)。

此外，面對當(dāng)前水環(huán)境中普遍存在的抗性問題，特別有必要去闡明ARGs主要?jiǎng)討B(tài)機(jī)制并評估影響其動(dòng)態(tài)變化的主導(dǎo)因素。分子生物學(xué)理論討論表明不同微生物之間的抗生素抗性可以通過橫向基因轉(zhuǎn)移（HGT）和垂向基因轉(zhuǎn)移（VGT）獲得，而通過可移動(dòng)遺傳元件基因（MGEs）進(jìn)行的HGT可能是ARGs增殖和集中的主要因素。雖然如此，不同討論學(xué)者對于真實(shí)水環(huán)境中驅(qū)動(dòng)抗性基因動(dòng)態(tài)變化關(guān)鍵因素的確定仍存在肯定差異，這也說明目前關(guān)于水環(huán)境中影響ARGs主導(dǎo)因素的探究尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而就當(dāng)代水環(huán)境而言，應(yīng)對水庫水環(huán)境中影響ARGs的主要因素及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行綜合性的討論，這對于更好地理解水庫系統(tǒng)中ARGs污染和管控具有重要意義。

基于上述，本討論依托于“十二五”國家重大科技水專項(xiàng)“東江上游典型集水區(qū)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)掌握技術(shù)集成與綜合示范”課題（編號：2022ZX07206001），選擇廣東省最大的干流型水庫——楓樹壩水庫為例，借助于高通量熒光定量PCR、Illumina測序、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜、結(jié)構(gòu)方程模型等方法手段，試圖明確楓樹壩水庫環(huán)境（水體、沉積物和消落區(qū)土壤）中ARGs時(shí)空污染特征，旨在（1）探究環(huán)境介質(zhì)對水庫系統(tǒng)中ARGs多樣性、豐度和分布的影響；（2）揭示驅(qū)動(dòng)水庫系統(tǒng)中ARGs動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵機(jī)制，并闡明驅(qū)動(dòng)其傳播的關(guān)鍵因素。

重要結(jié)論

1.環(huán)境介質(zhì)會(huì)影響ARGs和MGEs結(jié)構(gòu)組成及共發(fā)生模式，較之沉積物和消落區(qū)土壤介質(zhì)，水體中ARGs多樣性更為豐富。

2.水體中ARGs增殖通過HGT和VGT兩種途徑進(jìn)行，而沉積物和土壤中ARGs主要增殖途徑分別為HGT和VGT。

3.水體和沉積物中影響ARGs動(dòng)態(tài)變化的主要因素為MGEs，而土壤中則為細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。

4.環(huán)境介質(zhì)通過影響MGEs、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成、細(xì)菌生物量、抗生素和基本環(huán)境要素，從而使得水庫系統(tǒng)中水體、沉積物和土壤介質(zhì)中ARGs動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)機(jī)制存在差異，最終成為制約水環(huán)境中ARGs傳播的瓶頸。

5.水庫系統(tǒng)中ARGs污染和傳播問題應(yīng)綜合考慮水體、沉積物和消落區(qū)土壤介質(zhì)，但對于每個(gè)介質(zhì)中ARGs驅(qū)動(dòng)機(jī)制則應(yīng)區(qū)分對待。

簡介：陳奕涵，男，合肥工業(yè)高校資源與環(huán)境工程學(xué)院老師，主要討論方向?yàn)樗廴菊莆?。博士畢業(yè)于上海交通高校環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院水體污染掌握與治理團(tuán)隊(duì)，師從何義亮教授。水體污染掌握與治理團(tuán)隊(duì)依托上海交通高校水污染掌握設(shè)計(jì)討論所以及上海交通高校?新加坡國立高校環(huán)境與進(jìn)展聯(lián)合討論中心（團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人何義亮教授受聘新加坡國立高?？妥淌冢铝τ诹饔蛩w污染掌握