Dynamic migration and risk of cephalosporin antibiotic resistance genes: Move from pharmaceutical plants through wastewater treatment plants to coastal tidal flats sediments
头孢菌素类抗生素抗性基因的动态迁移和风险变化：
制药厂—污水处理厂—滩涂沉积物
期刊：Water Research
影响因子（5年）：12.2
DOI：doi.org/10.1016/j.watres.2024.121983
文章摘要
抗生素及其对应的抗生素抗性基因（ARGs）从制药厂通过废水处理系统进入环境，会引入外源ARGs，从而增加耐药风险。头孢菌素类抗生素（Ceps）是目前市场规模最大的抗生素之一，其抗性问题日益严重。本研究选择了一家头孢菌素制药厂，利用宏基因组学研究了Ceps及其抗生素抗性基因（CepARGs）从制药厂通过污水处理厂到排污口滩涂沉积物的迁移规律。结果表明，Ceps总浓度从制药厂的先驱生物反应器（PBR）到废水处理厂的出水减少了90.32%，但CepARGs的相对丰度显著增加172.13%。源于PBR的CepARGs可以沿着传播链迁移，贡献了滩涂沉积物60%CepARGs组成。其中，微生物在CepARGs迁移中起关键作用，外排机制介导的eff-CepARGs作为一种固有抗性机制，因其广宿主特性表现出更强的迁移能力。虽然高风险的CepARGs存在于传播链，但抗生素失活机制的介导的ina-CepARGs在废水处理过程中被完全去除，不会迁移至滩涂环境。研究揭示了Ceps及CepARGs在实际传播链中的动态迁移特征和潜在风险变化，为CepARGs的削减阻控和风险防范提供了科学参考。
摘要图
主要内容
结果表明，Ceps浓度沿制药厂到污水处理厂再到滩涂沉积物的传播链显著降低，总去除效率达90.32%。然而，CepARGs的相对丰度却在废水处理过程中增加了172.13%。表明废水处理虽然有效减少了Ceps浓度，但对CepARGs的去除效果有限。所有样本共检出CepARGs亚型116个，其中12个CepARGs能沿传播链持续存在，其中83.3%属于eff-CepARGs，暗示了CepARGs具有更强的迁移能力。在处理的第一阶段（FAC-IN至FAC-OUT），CepARGs的丰富度和多样性增加。而在后续阶段（WTP-IN至SED）丰富度和多样性减少。高抗生素选择压力增加了CepARG的丰度，但降低了其多样性。
图1.Ceps和CepARGs的分布（a. Ceps总浓度变化；b.CepARGs相对丰度（copy/cell）；c.CepARGs共现图；d CepARGs检出数和香农指数）
2.CepARGs沿传播链迁移能力
Ina-CepARGs在迁移过程中表现出更大的动态变化，在各节点中亚型的多样性和变化幅度更大。而eff-CepARGs则表现出更强的迁移潜力。尽管eff-CepARGs在各阶段亚型数量少于ina-CepARGs，但其迁移到下一个阶段的比例较高。在制药厂阶段，ina-CepARGs丰度高于eff-CepARGs，面对高浓度Ceps的选择压力，需要产生更多的使抗生素失活降解的特异性基因。然而，随着传播链迁移到污水厂及滩涂，外排类机制的eff-CepARGs足以应对低浓度Ceps所带来的选择压力，因此eff-CepARGs在后续阶段中占据主导地位。Eff-CepARG 通常存在于染色体上，作为细菌的内在抗性机制，具有广泛的底物范围，能排出不同的抗生素和其他有害物质，在低Ceps浓度的环境中具有更高的效益，成为微生物耐药主要形式。值得注意的是，源于PBR的CepARGs能沿传播链迁移至滩涂，并贡献60%的CepARGs组成。
图2. CepARGs的迁移规律（a. 各节点ina-CepARGs和eff-CepARGs数量分布；b. Ina-CepARGs和eff-CepARGs相对丰度变化；c. Ina-CepARGs和eff-CepARGs相对丰度比值变化；d. 各阶段迁移至最终的的CepARGs亚型数的比例）
图3.CepARGs宿主溯源分析（a. Eff-CepARGs与微生物群落组成（属）的一致性分析；b. Ina-CepARGs和Eff-CepARGs宿主种类数；c. OXA-2和mexB的宿主沿传播链变化规律）
通过人类相关环境中的富集能力、基因流动性以及宿主致病性将CepARGs分为4个风险等级。其中8个CepARG属于最高的I类风险，包括OXA-1、OXA-10、VEM-1、VEM-2、IMP-4、VEB-3、TEM-1和TolC。虽然I类风险的CepARGs沿着传播链一直存在，但是ina-CepARGs在污水处理系统中被完全去除，并不会迁移至滩涂中。最终只有TolC迁移至滩涂，并且其相对丰度增加924%，但其在环境中广泛存在并且受到多种物质影响，因此评估头孢菌素在环境中因 TolC 造成的具体风险需要谨慎，需要更多的研究来支撑。
图4. I类风险的CepARGs的迁移规律（a. I类CepARGs的相对丰度、数量沿程变化规律；b. I类CepARGs亚型数与丰度占比变化；c. I类风险的CepARGs沿传播链赋存及变化规律）
总结
本文探究了Ceps及CepARGs从制药废水通过污水处理厂到排污口滩涂沉积物的迁移传播规律。Ceps总浓度从制药厂的PBR到污水处理厂的出水减少了90.32%，但CepARGs的相对丰度显著增加172.13%。源于PBR的CepARGs可以沿着传播链迁移，贡献了滩涂沉积物60%CepARGs组成。其中，微生物在CepARGs迁移中起关键作用，eff-CepARGs作为一种固有抗性机制，因其广宿主特性表现出更强的迁移能力。虽然高风险的CepARGs存在于传播链，但ina-CepARGs在废水处理过程中被完全去除，不会迁移至滩涂环境。研究揭示了Ceps及CepARGs在实际传播链中的动态迁移特征和潜在风险变化，为CepARGs的削减阻控和风险防范提供了科学参考。
第一作者简介
第一作者：董炽斐，浙江大学环境与资源学院2021级直接攻博生，研究方向为抗生素抗性基因。已发表JCR一区SCI论文4篇，其中第一作者发表SCI论文1篇。
作者：董炽斐 审核：胡宝兰
作者单位：浙江大学环境生态研究所
来源|浙江大学环境微生物课题组
本文编辑|董炽斐
责任编辑|朱林
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