污水厂全流程抗生素耐药性的宏基因组解析：潜在风险与防控关键

为探究 WWTP 及周边抗生素耐药性（AMR）传播，研究人员分析宏基因组数据，发现多种风险因素，强调监测及防控的重要性。

　　在全球范围内，抗生素耐药性（AMR）正成为日益严峻的公共卫生挑战。想象一下，曾经那些能轻松战胜病菌的 “神奇子弹”—— 抗生素，如今却在一些顽强的细菌面前逐渐失去效力。每年，全球至少有 70 万人因 AMR 而丧生，预计到 2050 年，这一数字将飙升至 1000 万 。在这样的大背景下，污水处理厂（WWTP）看似普通，却暗藏玄机。

WWTP 本应是污水与外界环境之间的坚固防线，可实际情况却不容乐观。污水中携带的人类微生物群落相关细菌、抗生素耐药菌以及抗生素耐药基因（ARGs），在经过 WWTP 处理后，仍有部分 “漏网之鱼”。传统的处理技术，如自然衰减、高级处理工艺和常规处理方法，都存在各自的缺陷。自然衰减无法完全去除污染物和微生物；高级氧化工艺可能产生有害的氧化产物，还会促使 ARGs 进入微生物；常规处理方法成本高昂，且会产生其他问题。更为关键的是，目前对 WWTP 的研究大多集中在进水、活性污泥和出水部分，而忽视了其上游和下游区域。这些区域的微生物和 ARGs，可能通过水平基因转移（HGT）等方式，进一步传播 AMR。

为了深入了解这一复杂的问题，来自代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）等多个机构的研究人员 Stephanie Pillay、Ramin Shirali Hossein Zade 等开展了一项系统性研究。他们的研究成果发表在《Heliyon》杂志上。

研究人员利用了五个公开的宏基因组数据集（n = 164），这些数据来自不同地理位置的 WWTP 各个环节，包括上游（n = 14）、进水（n = 14）、活性污泥（n = 109）、出水（n = 14）和下游（n = 13）。通过一系列复杂而严谨的技术流程，对这些数据进行深入分析。

在研究方法上，研究人员首先从 NCBI-SRA 数据库筛选出符合要求的样本数据，样本来源广泛，涵盖多个国家的不同区域。接着，利用 FastQC 和 Trimmomatic 软件对测序数据进行质量评估和过滤处理。之后，运用 Kraken2 和 Bracken 工具对微生物群落进行分析，确定细菌的种类和相对丰度。同时，借助 metaSPAdes 软件进行序列组装，使用 CARD - RGI 数据库注释 ARGs。最后，通过 INTEGRALL、ICEberg 数据库和 Plasclass 软件分别检测整合子、整合性元件和质粒。

下面来看具体的研究结果：

1. WWTP 各环节存在机会性致病菌：研究发现，假单胞菌属（Pseudomonas）、气单胞菌属（Aeromonas）和食酸菌属（Acidovorax）等机会性致病菌在 WWTP 各环节都有出现，在进水环节的丰度甚至超过 9%。此外，还检测到 ESKAPE 病原体（包括肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和肠杆菌属（Enterobacter spp.）等），在出水环节的丰度超过 1%。大肠杆菌（Escherichia coli）作为水质的关键微生物指标，在进水和出水环节都被检测到，这表明 WWTP 在去除这些微生物方面存在不足，对公共卫生和环境健康构成潜在威胁。
2. 进水、活性污泥和出水存在相似细菌物种：通过 Bray - Curtis 相异指数和非度量多维缩放（NMDS）分析发现，进水、活性污泥和出水的微生物群落相似度较高，它们聚集在一起，而上游和下游样本则相对远离。进一步的 Spearman 相关性分析也证实了这一点，并且还鉴定出 42 种在这三个环节中都存在的常见细菌物种。这意味着不同地理区域的城市和市政污水可能共享相似的微生物群落，增加了 AMR 传播的风险。
3. WWTP 存在多种 β- 内酰胺酶基因家族：研究人员在 WWTP 各环节检测到多种 β- 内酰胺酶基因家族。其中，OXA β- 内酰胺酶基因在进水和活性污泥中占比较高，分别为 7% 和 6%，而 FTU 和 CKO β- 内酰胺酶基因家族则主要存在于上游、出水和下游。此外，还发现了外排泵基因家族（如 MFS 和 RND），这些基因家族在各环节都有分布，且与 AMR 的传播密切相关。这表明不同的 β- 内酰胺酶基因家族在 WWTP 各环节的分布存在差异，共同促进了 AMR 的传播。
4. 携带 ARGs 的质粒释放到环境中：分析发现，WWTP 各环节都有 1% 的重叠群来自质粒，且 AMR 基因家族存在于 0.008% - 0.15% 的质粒重叠群中。其中，与 OXA β- 内酰胺酶基因家族相关的质粒在各环节都有较高的平均相对丰度。这些质粒可以将 AMR 从出水传播到淡水系统，甚至可能传播到土壤和动物中，导致对兽医和临床重要抗生素的耐药性增强。
5. 1 类整合子揭示 AMR 污染存在：研究人员在 WWTP 各环节检测到整合子，其中 1 类整合子最为丰富，占比在 17% - 19% 之间。1 类整合子与消毒剂和磺胺类药物耐药相关，携带 sul1 和 sul3 基因的 1 类整合子在多个环节都有较高的丰度。这表明 1 类整合子在 WWTP 及周边环境的 AMR 传播中起到重要作用，是 AMR 污染的重要指示物。
6. 整合性元件与 ARGs 相关：在 WWTP 各环节都检测到整合性元件，包括整合结合元件（ICEs）、整合可移动元件（IMEs）和顺势整合可移动元件（CIMEs）。其中，ICEclc 和 Tn4371 家族在各环节普遍存在，PGI2 也在多数样本中出现。部分 ICEs 和 IMEs 与 ARGs 相关联，这意味着携带这些元件的细菌具有更强的传播感染能力，可能将 AMR 传播到其他环境，引发难以治疗的感染。

综合来看，这项研究全面分析了 WWTP 不同环节的微生物组成、ARGs 和移动遗传元件。研究发现，WWTP 及周边淡水系统中存在 ARGs 和移动遗传元件，这对人类、动物和环境健康构成潜在威胁。研究强调了在污水处理过程中，对 AMR 进行有效监测和制定防控策略的重要性。不过，该研究也存在一定的局限性，由于使用的是公开数据，不同研究的样本来源、处理方法等差异可能会对结果产生影响。未来的研究需要考虑更多地理因素、WWTP 类型差异等，以便更全面地了解 AMR 在 WWTP 中的传播机制，为制定更有效的防控措施提供依据。