哈尔滨工业大学WR综述：氯化诱导的抗生素抗性基因在饮用水系统中的传播

文摘 2025-01-09 12:33 浙江

摘要

氯是全球应用最广泛的饮用水消毒剂，但近期研究发现它可能会促进抗生素抗性基因（ARGs）的传播，这引发了人们对其被低估的环境和生态风险的担忧。然而，鉴于当前研究重点分散且结果各异，全面了解氯化促进饮用水系统中 ARGs 传播的潜在机制和影响因素至关重要。本研究首次系统综述了氯化过程中 ARGs 的丰度变化、传播机制、影响因素及缓解策略。结果表明，氯化可通过多种途径诱导基因突变并促进水平基因转移，包括增加活性氧物质、增强细胞膜通透性、刺激 SOS 反应和激活外排泵等。此外，本研究深入探讨了影响饮用水中 ARG 传播的重要因素，如氯浓度、反应时间、消毒副产物、管道材料、生物膜和水基质等。从水源到用水点提出了一系列有效策略，旨在降低饮用水系统中 ARGs 的传播风险。最后，我们指出了现有挑战并概述了未来的研究方向，以克服这些瓶颈。总体而言，本综述旨在增进我们对氯化在 ARGs 传播中作用的理解，并激发创新研究思路，以优化消毒技术、降低抗生素抗性传播风险并提高饮用水安全。

关键词：抗生素抗性基因；氯化；饮用水；水平基因转移

1. 引言

抗生素耐药已成为全球十大公共卫生危机之一，在欧洲和美国造成大量人员死亡。抗生素耐药菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）在饮用水中被发现，对人体健康构成严重威胁，如增加疾病爆发、患病、住院和死亡的风险。消毒是饮用水处理的关键环节，目前氯化消毒因成本低、操作简单和高效而被广泛应用，其通过次氯酸和次氯酸根离子氧化蛋白质来杀灭微生物，对防控 COVID - 19 也有效果。但实际上，消毒过程及残留消毒剂和副产物可能改变细胞活动，干扰微生物相互作用和基因交换，导致 ARGs 传播。尽管准确评估饮用水中抗生素耐药性的公共卫生风险至关重要，但对于水处理和分配网络中氯化过程促进 ARGs 转移的机制和途径仍缺乏全面了解，因此本研究旨在系统总结氯化对 ARGs 传播的影响及机制、分析关键因素、提出控制策略并探索未来研究方向。

2. 氯化消毒对抗生素抗性传播的影响概述

- ARGs 多样性和丰度变化：氯化后，eARGs 和 iARGs 绝对丰度降低，相对丰度显著增加，不同 ARGs 类型变化各异，且在颗粒相关和自由生活部分呈现不同趋势。

- 移动遗传元件丰度变化：与 ARGs 类似，多种移动遗传元件（MGEs）丰度在氯化后显著增加，在自由生活部分更为明显，且与 ARGs 相关性更强，促进了 ARGs 水平转移。

- ARGs 宿主细菌富集：特定细菌与 ARGs 密切相关，氯化消毒后耐氯细菌相对丰度增加，如假单胞菌等，这些细菌所属的变形菌门和放线菌门在处理后的水中占主导地位，且微生物群落网络特性发生改变，可能促进 ARGs 传播。

3. 氯化促进 ARGs 传播的潜在机制

图 1.氯化的分子机制促进了 ARGs 的传播。

- 基因突变：氯化和某些消毒副产物（DBPs）可诱导氧化应激，产生 ROS 损伤 DNA，激活 SOS 响应，增加染色体突变频率，促进抗生素抗性产生；同时可上调特定基因影响 DNA 修复，进一步推动突变。

- 激活药物外排泵：一定浓度的游离氯可促进细菌药物外排泵表达，增强抗生素抗性，外排泵由多种成分构成，不同家族通过不同能量来源排出抗生素及其他物质。

- 细胞膜通透性增加促进转化：亚抑制浓度的游离氯可破坏细菌细胞膜结构，增加膜通透性，促进质粒 DNA 转移，相关外膜蛋白基因表达增强也有助于此过程，从而提高 ARGs 转化频率。

- SOS 响应增强促进接合：游离氯刺激细菌产生 ROS 引发 SOS 响应，可上调相关基因，增强 ARGs 水平转移，如整合酶基因上调促进整合子活性，加速 ARGs 在细菌群落中的传播。

4. 氯化对 ARGs 增殖的影响因素

- 氯浓度和反应时间：高 CT 值虽能减少细菌和部分 ARGs，但可能富集特定 ARGs；有效剂量下延长接触时间可降低细菌数量，但可能筛选出耐氯细菌或生物膜；亚抑制浓度的氯在分配系统端点可促进 ARGs 水平转移。

- 消毒副产物：消毒过程中产生的 DBPs 可对微生物群落施加选择压力，促进 ARGs 和 ARBs 传播，部分 DBPs 还可通过调节氧化应激和 SOS 响应等途径增强突变率、增加膜通透性和调控基因表达，加速 ARGs 转移。

图 4.饮用水处理过程中氯化过程产生的典型 DBP

- 管道材料：不同管道材料影响 ARGs 传播，金属管道易腐蚀消耗氯，促进微生物生长和 ARGs 增殖，其腐蚀产物可促进水平基因转移；塑料管道可减少生物膜形成，但氯化和环境因素可能增加微塑料生成和化学物质浸出，带来风险；不锈钢管道生物膜形成少，不利于 ARGs 传播。

- 生物膜形成：生物膜是 ARGs 的储存库和传播促进者，其胞外聚合物可保护细菌免受消毒剂影响，增强抗性，且通过群体感应促进 ARGs 水平转移，生物膜脱落可释放 ARBs 和 ARGs，增加传播风险。

- 其他微污染物：水中塑料添加剂、药物残留等微污染物可增加细菌细胞内 ROS 生成，破坏细胞结构，促进 ARGs 水平转移，还可上调相关基因，增强转移风险。

- 水基质参数：温度、pH 和 Ca²⁺等参数影响 eARGs 丰度，夏季高温促进细菌生长和 ARGs 转化，低温触发 SOS 响应；pH 影响氯的化学形式和反应性，进而影响 ARGs 去除效率；Ca²⁺可增加质粒转化频率。

5. 减少氯化水系统中 ARGs 转化的前景

- 加强水源保护：建立严格控制的水源水库，在集水区热点区域实施源控制措施，如生物过滤，可减少 ARGs 向饮用水水库的运输，降低消毒副产物形成和 ARGs 增殖风险。

- 优化饮用水消毒程序：精确控制氯剂量和接触时间，采用实时监测系统和多阶段消毒策略，结合如 UV/氯消毒等方法，可减少 ARGs 传播风险，提高饮用水安全和质量。

- 降低配水网络中的传播风险：选择合适管道材料，管理流量变化和进行日常维护，对二次供水设施定期消毒，可防止生物膜形成，确保消毒效果，减少 ARGs 传播。

- 终端用户煮沸水去除 ARGs：煮沸水在较高温度下可有效去除 ARGs，比氯化消毒更安全，虽能耗较高，但适合在发展中国家和经济落后地区推广。

6. 结论与展望

- 氯化处理后饮用水系统中 ARGs 相对丰度、移动遗传元件和抗性细菌常增加，多种机制促进了 ARGs 传播，多种因素影响此过程。为减少 ARGs 传播提出了一系列策略，但仍缺乏抗性基因快速检测方法，对氯与 ARGs 复杂相互作用及健康影响等方面存在知识空白，未来需在实时检测方法、预测模型和长期监测等方面开展研究。

Zhao, W., Hou, Y., Wei, L., Wei, W., Zhang, K., Duan, H., & Ni, B. J. (2025). Chlorination-induced spread of antibiotic resistance genes in drinking water systems. Water Research, 274, 123092. https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123092

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