陈奕涵：环境介质是影响当代水环境中抗性基因动态变化的重要瓶颈

本文是来自合肥工业大学资源与环境工程学院陈奕涵的文章。接下来，遵循作者自愿的原则，按照Making Waves的格式，我们将在公众号陆续刊发本期特刊的文章精华：

文章亮点

水库消落区土壤介质是抗性基因的重要储存库

水体、沉积物和土壤介质中抗性基因增殖方式不同

水环境介质显著影响抗性基因和可移动遗传原件基因的组成

阐明水库系统水体、沉积物和土壤中影响抗性基因动态变化的主要机制

文章简介

自抗生素被发现和使用以来，其在环境中的残留大大促进了抗生素抗性基因（ARGs）的传播；同时随着复合型水环境污染的加剧，许多ARGs、病原微生物以及超级抗性细菌也通过直接排放或者间接环境运输从而最终进入水环境，这些均不同程度地增加了水环境中ARGs和抗性细菌的数量和丰度。由于ARGs兼具有“可复制或传播”的生物特性和“不易消亡或环境持久”的物理化学特性，2006年首次被列为新兴环境污染物；同时借助于微生物全球迁移活动，这也使得ARGs的传播超越了国界，2013年英国召开G8峰会已将抗生素抗性问题列为首要议题，2016年杭州G20峰会也再次将抗生素抗性问题列为国际性问题，已被视为影响世界经济发展的深远因素。因此，有关ARGs在生态环境中赋存特征、传播机制、风险评估以及管控已成为科学研究和制约社会发展的重要时代性话题。

水环境作为污染物主要的受纳和赋存场所，在各类污染物收集运输、迁移和转化过程中发挥着重要的作用。当前，来自生产生活，医院和畜禽养殖所产生的大量ARGs、耐药细菌和抗生素通过各种废物流释放到水环境中。研究表明我国2013年抗生素入水环境总量约为24748吨，2014年ARGs入水环境排放负荷约为9.47×1013 copies/人/天。这些进入水环境中抗生素和ARGs并不会立即消失，抗生素可能会借助于可移动原件基因，加速抗性基因横向转移从而促进ARGs的传播。与此同时，值得注意的是，水坝（水库）的建设在过去的几十年中呈加速趋势，目前世界范围内的水资源管控过程中已建造了约50,000个大型水坝，在防洪、灌溉、水源供应等方面承担着非常重要的功能。水坝作为人类活动对全球流域的最大干扰，也使得水库系统被视为当代水环境中的一种典型。众所周知，这些水坝存在会改变水文特征并影响自然水生环境的生态连通性。例如，水库存在会延长水力停留时间，促进颗粒沉积物的沉积，伴随着季节性水位涨落也会形成水库消落区。消落区作为陆地和水生生态系统之间的过渡区，在维持地球化学过程和生物多样性方面也发挥着重要作用。为此，诸多研究人员认为水库系统应该由水、沉积物和消落区组成。尽管如此，先前的研究主要集中在水库部分功能区的营养元素循环，重金属和持久性有机污染物污染等方面，而系统性地开展水库系统中抗性基因的研究尚且匮乏，特别对于水源型大型水库系统。

此外，面对当前水环境中普遍存在的抗性问题，非常有必要去阐明ARGs主要动态机制并评估影响其动态变化的主导因素。分子生物学理论研究表明不同微生物之间的抗生素抗性可以通过横向基因转移（HGT）和垂向基因转移（VGT）获得，而通过可移动遗传元件基因（MGEs）进行的HGT可能是ARGs增殖和扩散的主要因素。虽然如此，不同研究学者对于真实水环境中驱动抗性基因动态变化关键因素的确定仍存在一定差异，这也说明目前关于水环境中影响ARGs主导因素的探究尚远远不够。而就当代水环境而言，应对水库水环境中影响ARGs的主要因素及其驱动机制进行综合性的研究，这对于更好地理解水库系统中ARGs污染和管控具有重要意义。

基于上述，本研究依托于“十二五”国家重大科技水专项 “东江上游典型集水区水环境风险控制技术集成与综合示范”课题（编号：2014ZX07206001），选择广东省最大的干流型水库——枫树坝水库为例，借助于高通量荧光定量PCR、Illumina测序、液相色谱-串联质谱、结构方程模型等方法手段，试图明确枫树坝水库环境（水体、沉积物和消落区土壤）中ARGs时空污染特征，旨在（1）探究环境介质对水库系统中ARGs多样性、丰度和分布的影响；（2）揭示驱动水库系统中ARGs动态变化的关键机制，并阐明驱动其传播的关键因素。

重要结论

1. 环境介质会影响ARGs和MGEs结构组成及共发生模式，较之沉积物和消落区土壤介质，水体中ARGs多样性更为丰富。

2. 水体中ARGs增殖通过HGT和VGT两种途径进行，而沉积物和土壤中ARGs主要增殖途径分别为HGT和VGT。

3. 水体和沉积物中影响ARGs动态变化的主要因素为MGEs，而土壤中则为细菌群落结构。

4. 环境介质通过影响MGEs、细菌群落结构组成、细菌生物量、抗生素和基本环境要素，从而使得水库系统中水体、沉积物和土壤介质中ARGs动态驱动机制存在差异，最终成为制约水环境中ARGs传播的瓶颈。

5. 水库系统中ARGs污染和传播问题应综合考虑水体、沉积物和消落区土壤介质，但对于每个介质中ARGs驱动机制则应区别对待。

作者简介：陈奕涵，男，合肥工业大学资源与环境工程学院教师，主要研究方向为水污染控制。博士毕业于上海交通大学环境科学与工程学院水体污染控制与治理团队，师从何义亮教授。水体污染控制与治理团队依托上海交通大学水污染控制设计研究所以及上海交通大学−新加坡国立大学环境与发展联合研究中心（团队负责人何义亮教授受聘新加坡国立大学客座教授），致力于流域水体污染控制与水环境修复基础理论研究与技术开发应用。近年团队承担了国家自然科学基金面上项目11项，青年基金2项；国家重大科技水专项课题2项，子课题4项；国家重点研发计划课题1项，重大国际合作项目课题2项。团队成员以第一或通讯作者在Environ. Sci. Technol.，Water Res，Environ Int，Journal of Membrane Sci.等重要期刊上发表SCI论文118篇；得益于“十一五”、“十二五”东江水专项课题的开展，形成了一系列流域面源污染治理与水体生态修复成套技术。