土壤中抗生素抗性基因的分布及遷移轉(zhuǎn)化

張 寧,李 淼,劉 翔 (清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

抗生素被廣泛用于預(yù)防由細(xì)菌感染引起的人類疾病以及促進(jìn)養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽的生長(zhǎng)[1-2],然而研究表明用于醫(yī)療或者動(dòng)物養(yǎng)殖的抗生素約有30%～90%以原藥或者代謝物形式排出體[3],在環(huán)境中形成了一定積累[4],并對(duì)抗生素抗性的形成了選擇壓力,進(jìn)而促進(jìn)了抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes, ARGs)的產(chǎn)生和傳播.而ARGs的傳播引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可能比抗生素更大.近年來(lái),抗生素抗性作為一個(gè)重要的全球公共衛(wèi)生問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注[5-6],并在2013年的 G8峰會(huì)上被確定為二十一世紀(jì)的主要衛(wèi)生安全挑戰(zhàn)[7].

目前已發(fā)現(xiàn)有40種四環(huán)素類ARGs,4種磺胺類ARGs和10種β-內(nèi)酰胺類ARGs.抗生素抗性微生物(Antibiotic Resistance Microorganisms,ARM)死亡后,攜帶ARGs的DNA釋放到環(huán)境中,在土壤礦物、有機(jī)膠體等的保護(hù)下可長(zhǎng)期存在[8],不但可以通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移(Horizontal Gene Transfer, HGT)的方式進(jìn)入到其他微生物菌體或環(huán)境中[9],甚至能轉(zhuǎn)移到人類共生微生物和病原體中[10].ARGs一旦產(chǎn)生就會(huì)在微生物種群中長(zhǎng)期存在[11],可能對(duì)公共健康、食品和飲用水安全構(gòu)成威脅,甚至出現(xiàn)無(wú)藥可醫(yī)的局面.

土壤被認(rèn)為是抗生素殘留的最重要的受納體之一,抗生素殘留和ARGs主要是通過(guò)施肥、污泥農(nóng)用[12]以及廢水或再生水灌溉[13]等方式釋放到土壤中.目前關(guān)于土壤中 ARGs的研究主要集中在農(nóng)田土壤施用糞肥后土壤 ARGs的豐度變化,廢水灌溉后土壤ARGs的分布情況,以及外源匯入對(duì)土壤微生物的影響,并且多集中于少數(shù)種類的ARGs研究,而對(duì)于土壤物理、化學(xué)作用對(duì)ARGs的影響及ARGs在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化研究尚處于起步階段,對(duì)于隨糞肥或者污水進(jìn)入土壤的重金屬及其他物質(zhì)對(duì) ARGs的影響機(jī)制不明確.

事實(shí)上進(jìn)入土壤的 ARGs不但可以通過(guò)植物吸收進(jìn)入生物鏈,甚至還能通過(guò)滲漏進(jìn)入地下水環(huán)境中,甚至很可能通過(guò)HGT以飲水與生物帶入食物鏈的方式,在各個(gè)環(huán)境介質(zhì)中傳播轉(zhuǎn)移,最后會(huì)進(jìn)入人體.因此對(duì)土壤中 ARGs分布和傳播的調(diào)查和深入研究刻不容緩.

1 土壤中ARGs的來(lái)源與分布

絕大多數(shù)用于治療的抗生素來(lái)源于土壤微生物群落,可以說(shuō)土壤是ARGs的主要來(lái)源之一.研究證明土壤中的ARGs豐度高且具有多樣性,其來(lái)源分為本底存在和外源匯入兩類.土壤本底抗性是指土著抗生素抗性菌(Antibiotic Resistance Bacteria, ARB)的基因組上存在 ARGs的原型片段以及沒(méi)有表達(dá)的潛在ARGs片段;外源匯入是指受人類活動(dòng)等因素的影響,由外源攜帶進(jìn)入土壤環(huán)境.

1.1 土壤中ARGs的本底抗性

各種各樣的ARGs都可以找到攜帶的微生物,這些微生物居住在不受人類影響的各種生態(tài)環(huán)境中.D'Costa等[14]應(yīng)用宏基因組學(xué)的方法研究了加拿大Dawson城市30,000年前的永久性凍土,分別檢測(cè)出了β-內(nèi)酰胺類、四環(huán)素類和糖肽類ARGs的基因序列;Allen等[15]在未有人類活動(dòng)的Alaskan土壤中發(fā)現(xiàn)了β-內(nèi)酰胺抗性基因.研究人員對(duì)西藏地區(qū)沒(méi)有人為抗生素干擾的土壤,動(dòng)物廢棄物和沉積物的分析也發(fā)現(xiàn)了不同類型的ARGs和可移動(dòng)遺傳因子(Mobile Genetic Elements, MGEs),此外還發(fā)現(xiàn)西藏環(huán)境中的ARGs小部分由MGEs攜帶[16].對(duì)新墨西哥州被隔離了400萬(wàn)年的Lechuguilla Cave中可培養(yǎng)微生物的研究也表明,這些微生物高度耐受抗生素,其中有些菌株甚至可耐受 14種不同的抗生素[17].都說(shuō)明了早在抗生素廣泛應(yīng)用前,土壤環(huán)境中就存在ARGs.

1.2 人類活動(dòng)對(duì)土壤ARGs的影響

與相對(duì)原始的ARGs相比,自人類廣泛使用抗生素以來(lái),當(dāng)代人為干擾環(huán)境中的ARGs和MGEs已經(jīng)發(fā)生了相當(dāng)大的變化.

在抗生素被廣泛應(yīng)用的 70a間,人類活動(dòng)加速了 ARGs在土壤環(huán)境中的分布和傳播,主要可歸納為兩個(gè)方面:肥料施用以及廢水或再生水灌溉回用.城市生活污水和垃圾滲濾液由于受到人類生產(chǎn)生活的影響,被認(rèn)為是抗生素殘留以及ARB的重要儲(chǔ)存庫(kù)[18].醫(yī)療廢水中殘留的抗生素對(duì) ARGs的產(chǎn)生也具有一定的誘導(dǎo)作用,并且人類服用抗生素之后也有可能會(huì)在體內(nèi)誘導(dǎo)出ARB,這些ARB同樣會(huì)隨糞便排入醫(yī)療廢水,因而大大增加了醫(yī)療廢水中ARGs的豐度[19].不論是城市生活污水還是養(yǎng)殖場(chǎng)廢水,或者醫(yī)療廢水,最后都會(huì)進(jìn)入污水處理廠,然而研究發(fā)現(xiàn)污水處理廠現(xiàn)行的處理工藝對(duì)抗生素及ARGs的去除效果并不高[20],經(jīng)過(guò)處理之后的再生水通過(guò)回灌進(jìn)入土壤.另外畜禽糞便、剩余污泥還可以通過(guò)堆肥,以肥料的方式進(jìn)入土壤,造成土壤中抗生素和ARGs的累積.

對(duì)美國(guó)Cache La Poudre River五個(gè)不同污染程度的區(qū)域(無(wú)污染區(qū)、輕型農(nóng)業(yè)活動(dòng)污染區(qū)、城市污水排放區(qū)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)嚴(yán)重污染區(qū)、城市和農(nóng)業(yè)混合污染區(qū))的抗生素抗性表型及ARGs的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)受人類干擾區(qū)域的四環(huán)素類及磺胺類 ARGs水平明顯高于未受干擾區(qū)域[21].

1.2.1 不同來(lái)源ARGs對(duì)土壤ARGs的影響 養(yǎng)殖場(chǎng)由于長(zhǎng)期使用抗生素作為飼料添加劑以及預(yù)防畜禽疾病,其畜禽糞中ARGs種類多種多樣,有人對(duì)國(guó)內(nèi)3個(gè)大型養(yǎng)殖場(chǎng)的取樣測(cè)試發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地土壤中有149種ARGs被檢出[22],因此畜禽糞的處理和處置均能影響土壤中抗性水平.

多項(xiàng)研究表明,豬糞肥的施用顯著提高了土壤微生物對(duì)四環(huán)素和磺胺類抗生素的抗性[23-25].對(duì)北京 9個(gè)長(zhǎng)期施用畜禽糞肥的蔬菜生產(chǎn)基地土壤樣品的檢測(cè)也發(fā)現(xiàn),四環(huán)素、氨芐西林、環(huán)丙沙星以及磺胺甲惡唑耐藥菌比例遠(yuǎn)高于不施肥土壤,且施肥土壤中sul1和sul2以及tetL的檢出率為100%[26].可能是因?yàn)榛前奉惡退沫h(huán)素類抗生素是養(yǎng)殖業(yè)中常用的抗生素種類,而我國(guó)獸藥抗生素中四環(huán)素的生產(chǎn)和使用比例最大[27].畜禽糞肥的施用還可能引起土壤微生物特定種群豐度的增加[28].對(duì)施用豬糞肥的玉米根際和非根際土壤的微生物群落檢測(cè)發(fā)現(xiàn),根際土壤中sul1和sul2豐度比非根際土壤中豐度低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[29],圖1總結(jié)了糞肥施用對(duì)土壤及根際群落結(jié)構(gòu)的影響[30].

然而也研究發(fā)現(xiàn)糞肥施用導(dǎo)致的土壤 ARGs增加不會(huì)長(zhǎng)期維持,施用豬糞肥的土壤在21d和6個(gè)月后分別對(duì)磺胺氯噠嗪和四環(huán)素的抗性回到原始水平[23-24].但是來(lái)自糞便細(xì)菌的ARGs通常位于整合子,轉(zhuǎn)座子和插入序列等元件上,這些元件可以通過(guò)廣宿主質(zhì)粒等接合元件有效地轉(zhuǎn)移到土壤細(xì)菌中[31],從而引起土壤中ARGs豐度的增加.目前多數(shù)研究都集中于施用糞肥前后土壤微生物的監(jiān)控而很少有研究指出施肥過(guò)程、土壤質(zhì)地、土壤動(dòng)物以及種植的作物種類對(duì)ARGs豐度變化的影響.

污灌對(duì)于土壤中的ARB和ARGs的影響也多有報(bào)道,對(duì)北京和天津的5個(gè)污灌區(qū)的污水灌溉和非灌溉土壤的抗生素、ARB以及ARGs豐度進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)污灌土壤中抗生素的濃度和 ARGs的豐度顯著增加[7].對(duì)不同灌溉方式下不同性質(zhì)土壤中 ARB和ARGs的豐度變化研究表明,使用再生水灌溉的土壤要比清水灌溉的土壤有著更高的抗性水平[32].

以畜禽養(yǎng)殖廢水為例,其中ARGs的分布表現(xiàn)為tetQ、tetM、tetW、tetO的檢出頻率和豐度均高于其他類型的四環(huán)素類ARGs,其次為sul1、sul2和sulA[33].現(xiàn)有關(guān)于污水灌溉對(duì)土壤 ARGs的影響研究也多集中于少數(shù)幾種常見(jiàn)的四環(huán)素和磺胺類 ARGs的變化而對(duì)于長(zhǎng)期利用再生水灌溉引起的土壤中 ARB和ARGs變化的研究較少,關(guān)于再生水灌溉對(duì)根際土壤和非根際土壤中ARGs的研究還未知,事實(shí)上再生水回灌可能是ARGs進(jìn)入土壤的重要途徑之一.

圖1 糞肥施用對(duì)土壤和根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響[30]Fig.1 Effects of manure that contains antibiotics on the structure and function of bacterial communities in soil and rhizosphere

表1 不同國(guó)家地區(qū)土壤ARGs或ARB的存在狀況Table 1 Distribution of ARGs & ARB in different countries and regions

除此之外,土壤環(huán)境中質(zhì)粒和其他 MGEs的穩(wěn)定 性受到土壤類型,土壤養(yǎng)分,濕度,溫度,以及pH值等的影響[34-35].因此在考察外源匯入對(duì)土壤 ARGs的影響過(guò)程中,多種因素的聯(lián)合作用需要更加深入的研究.1.2.2 不同土壤類型中ARGs的分布 目前,在不同國(guó)家和地區(qū)的不同土壤樣品中均有ARB及ARGs的檢出報(bào)道,不但包括養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部土壤,施用糞肥的土壤以及污水灌溉土壤,還包括各類河流表層土,沖積土以及未施肥的農(nóng)田種植土.下表中列出了各類土壤中ARB和ARGs的存在情況.

2 ARGs在土壤環(huán)境中的轉(zhuǎn)移傳播

ARGs作為一種新型污染物,其在環(huán)境中的傳播擴(kuò)散受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注,因此在評(píng)估土壤ARGs的生態(tài)影響時(shí),不應(yīng)該忽視外源 ARGs在土壤環(huán)境中的擴(kuò)散以及其在種內(nèi)和物種間水平上的基因交換.

圖2 外源ARGs進(jìn)入土壤環(huán)境甚至人體的途徑Fig.2 The way of exogenous ARGs entering into soil environment and even human body

如前所述,生產(chǎn)生活廢污水都會(huì)進(jìn)入污水處理廠,經(jīng)過(guò)處理之后再排入環(huán)境中,進(jìn)入環(huán)境中的ARGs可以在各介質(zhì)中傳播擴(kuò)散,并最終進(jìn)入到土壤環(huán)境中,并有可能通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,如圖2所示.

2.2 土壤中ARGs的轉(zhuǎn)移傳播

ARGs在土壤中的傳播是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,ARGs不僅可以通過(guò)物理方式在空間上傳播,如:風(fēng)力,水流等自然外力;蚯蚓,線蟲(chóng)等土壤動(dòng)物的攜帶等都為ARGs的傳播提供了便利的條件[39];而且還能通過(guò)遺傳或基因轉(zhuǎn)移在微生物間轉(zhuǎn)移傳播,其方式包括基因垂向轉(zhuǎn)移(Vetical Gene Transfer, VGT)和水平轉(zhuǎn)移(HGT).VGT是指親代和子代之間,通過(guò)繁殖發(fā)生的基因轉(zhuǎn)移,傳播范圍有限.HGT是指在差異生物個(gè)體之間,或單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞器之間所進(jìn)行的遺傳物質(zhì)的交流.其中差異生物個(gè)體可以是同種的但含有不同遺傳信息的生物個(gè)體也可以是不同種的生物個(gè)體[46].由于 HGT可以在同種或不同種屬的菌株間發(fā)生傳遞,因而大大加速了ARGs出現(xiàn)的幾率.攜帶ARGs的裸露DNA在一定的環(huán)境條件下能使ARGs轉(zhuǎn)移進(jìn)入受體細(xì)胞,受體細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)又可以通過(guò)載體(如質(zhì)粒)、直接(如接合)或者間接(如轉(zhuǎn)化)的形式進(jìn)一步轉(zhuǎn)移[47],從而實(shí)現(xiàn)ARGs的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移.

轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和接合被認(rèn)為是 HGT的主要方式[48].如圖3所示,轉(zhuǎn)化依賴于質(zhì)?；蛘呒?xì)胞死亡后主動(dòng)外排的染色體DNA片段,并且需要一個(gè)具有攝取胞外DNA能力的受體,完整的轉(zhuǎn)化還依賴于受體的宿主細(xì)胞含有 DNA修復(fù)酶(重組酶),通過(guò)同源重組或者異常重組完成轉(zhuǎn)化過(guò)程.轉(zhuǎn)導(dǎo)是通過(guò)噬菌的作用轉(zhuǎn)移基因的過(guò)程,噬菌體在宿主體內(nèi)自我復(fù)制的過(guò)程中可以將宿主的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到新的宿主體內(nèi),或者將噬菌體吸附位點(diǎn)附近的DNA轉(zhuǎn)移到新的宿主體內(nèi).接合的產(chǎn)生則是供體菌和受體菌通過(guò)抗性菌毛相互連接形成通道,DNA片段進(jìn)入受體菌 的過(guò)程[49].

圖3 抗生素抗性基因水平轉(zhuǎn)移機(jī)制[48]Fig.3 The horizontal transfer mechanism of antibiotic resistance genes

2.2.1 土壤中ARGs的水平基因轉(zhuǎn)移 HGT被認(rèn)為是ARGs在土壤中傳播擴(kuò)散的主要原因,因?yàn)檫M(jìn)入土壤的外源微生物并不能很好地適應(yīng)新環(huán)境,然而HGT卻可以使得進(jìn)入到土壤中 MGEs在土著微生物間轉(zhuǎn)移傳播,因而在土壤中長(zhǎng)期存在.

目前關(guān)于ARGs在土壤中HGT的研究還主要集中于MGEs攜帶的ARGs的轉(zhuǎn)移.其中,抗生素抗性質(zhì)粒被認(rèn)為是ARGs水平轉(zhuǎn)移的重要載體元件,在土壤抗性傳播擴(kuò)散中起到重要作用[50].通過(guò)基因組 DNA的PCR和雜交技術(shù)在豬糞中發(fā)現(xiàn)了81個(gè)質(zhì)粒,并在這些質(zhì)粒上檢測(cè)到了阿莫西林、磺胺類 ARGs[51].耐藥質(zhì)粒通常通過(guò)接合或轉(zhuǎn)化的方式在土壤細(xì)菌間傳遞 ARGs.對(duì)含有綠色熒光蛋白標(biāo)記的廣宿主質(zhì)粒RP4供體菌在土壤細(xì)菌懸浮液中的轉(zhuǎn)移研究發(fā)現(xiàn),ARGs的轉(zhuǎn)移率可達(dá)到1次/104土壤細(xì)菌轉(zhuǎn)移,能接受該種質(zhì)粒ARGs的受體菌包括屬于α-變形菌,β-變形菌和γ-變形菌類的細(xì)菌變形菌[52].

轉(zhuǎn)化是ARGs轉(zhuǎn)移的另一個(gè)重要機(jī)制,其中轉(zhuǎn)座子具有廣宿主性,能在革蘭氏陰性菌和陽(yáng)性菌之間傳播,既可以存在于質(zhì)粒上又可以存在于染色體上.de Vries等[53]的研究表明,至少有87種細(xì)菌可以通過(guò)自然轉(zhuǎn)化吸收胞外游離的 DNA并發(fā)生水平轉(zhuǎn)移,包括假單胞菌和不動(dòng)桿菌等菌屬.還有研究指出,ARGs可以在土壤微生物和農(nóng)作物之間發(fā)生轉(zhuǎn)移[54].對(duì) 11個(gè)肉雞飼養(yǎng)場(chǎng)的多種 ARGs的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),磺胺類 ARGs在11個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)的所有樣品中均有檢出,并且sul1的濃度高于 sul2,可能是因?yàn)?sul1通常與整合子連接,較sul2有著更廣泛的宿主范圍[55].

《論語(yǔ)·泰伯》孔子云：“大哉?qǐng)蛑疄榫?！巍巍乎，唯天為大，唯堯則之。 蕩蕩乎，民無(wú)能名焉。 巍巍乎，其有成功也。 煥乎，其有文章?！盵1]107 只有崇拜和贊頌。

另外ARGs也可以在土壤不同空間上發(fā)生轉(zhuǎn)移,通過(guò)連續(xù)灌水的飽和土柱研究 ARGs的遷移特征以及轉(zhuǎn)化效率發(fā)現(xiàn),位于質(zhì)粒pLEP01上的ARGs降解程度與其在土柱中的停留時(shí)間成正比,對(duì) DNA的生物活性的測(cè)試表明,該活性與其降解后的剩余 DNA大致成比例,也就是說(shuō)ARGs可以在水分飽和的土壤中運(yùn)輸相當(dāng)長(zhǎng)的距離[56].通過(guò)質(zhì)粒在多孔介質(zhì)填充柱的轉(zhuǎn)移研究發(fā)現(xiàn)土著抗性質(zhì)粒 pK5和工程質(zhì)粒pBR322的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸過(guò)程類似,土壤中的土著質(zhì)粒有可能長(zhǎng)距離運(yùn)輸并導(dǎo)致抗生素抗性的擴(kuò)散[57].

另外,養(yǎng)豬場(chǎng)附近典型土壤的土著細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了tetM,也表明了 ARGs有可能通過(guò)動(dòng)物腸道菌株向土壤微生物傳播[58].

2.2.2 土壤對(duì)攜帶ARGs的裸露DNA的吸附 攜帶ARGs細(xì)菌自身的代謝也是 ARGs轉(zhuǎn)移的主要方式,ARB死亡后,細(xì)胞裂解將體內(nèi)的抗性DNA分子釋放到土壤,裸露的 DNA分子在環(huán)境中的持久性暴露也可能導(dǎo)致ARGs的水平轉(zhuǎn)移[59],如圖4所示.

DNA分子能夠被土壤生物活性組分(土壤膠體)或者土壤粘土顆粒吸附,因此可以在一定程度上抵抗核酸的降解作用,有助于提高其在土壤中的轉(zhuǎn)化能力和水平轉(zhuǎn)移的頻率.

然而,不同類型的土壤性質(zhì)對(duì)ARGs的吸附和保留也有很大同[60].對(duì)不同農(nóng)田施用豬糞和污泥后tetO、tetW及sul1的豐度變化的研究發(fā)現(xiàn),壤土中3種ARGs的豐度均有增加,沙壤土卻無(wú)明顯變化[61].

事實(shí)上,不同土壤類型或者土壤成分對(duì) DNA的吸附作用也不一樣.在有機(jī)粘粒和蒙脫石上 DNA主要吸附的膠體表面上,靠靜電力控制,容易被解吸;而在無(wú)機(jī)粘粒和高嶺石上則通過(guò)配位交換和氫鍵連接,吸附在膠體邊緣,不易被解吸. DNA在棕壤有機(jī)粘粒和蒙脫石表面對(duì)核酸酶有較強(qiáng)的抗性,而無(wú)機(jī)粘粒和高嶺石表面固定的 DNA容易被降解,可變電荷的紅壤中有機(jī)質(zhì)和顆粒大小對(duì) DNA降解的影響并不顯著[62].說(shuō)明吸附的 DNA抗核酸酶降解的能力不受DNA分子對(duì)膠體的吸附親和力的控制.

圖4 土壤環(huán)境中質(zhì)粒的存在形式[59]Fig.4 The form of plasmid in soil environment

另外,環(huán)境pH值也可以影響土壤顆粒對(duì)DNA的吸附,pH從2.0上升到5.0,DNA在土壤膠體和礦物表面的吸附量明顯降低,從 5.0到 9.0,吸附量緩慢降低;DNA分子在蒙脫石、高嶺石和針鐵礦上的吸附焓變隨pH值的增加而增加,隨著MgCl2濃度的增加而降低[63].

由于不同種類ARGs與土壤組分作用各不相同,并且土壤環(huán)境復(fù)雜,目前很難清晰地說(shuō)明土壤理化特性對(duì)ARGs的影響,有待今后的深入研究.

3 影響ARGs在土壤中傳播的因素

研究證明影響 ARGs在環(huán)境中傳播轉(zhuǎn)移的因素主要分為兩個(gè)方面,一個(gè)是抗生素殘留水平所產(chǎn)生的選擇壓力,另一方面是環(huán)境條件,主要包括光照、溫度、pH值、重金屬、有機(jī)物質(zhì)等.

3.1 抗生素

一般認(rèn)為,抗生素的使用和處置對(duì)ARGs以及傳播具有一定的選擇壓力[64].抗生素自身在環(huán)境中的分布、遷移在很大程度上與其所誘導(dǎo)的 ARGs具有一致性,其濃度與ARGs的相對(duì)豐度之間存在一定的相關(guān)性[21,65],環(huán)境中抗生素的濃度大于最小抑制濃度(MIC)時(shí),即被認(rèn)為是強(qiáng)選擇壓力.亞治療濃度的抗生素(通常為MIC的幾百倍)水平也可以使環(huán)境中ARB增殖,可見(jiàn)抗生素殘留是環(huán)境中 ARB繁殖和傳播的重要原因.

3.2 重金屬

大量研究表明,介質(zhì)中重金屬的存在對(duì)ARGs的誘導(dǎo)和激發(fā)也起到一定作用.通過(guò)研究豬糞、施肥土壤及對(duì)照土壤中8種ARGs,7種重金屬及6種抗生素的存在水平,發(fā)現(xiàn)一些ARGs與某些重金屬之間存在顯著相關(guān)性,如sul3,sulA與銅、鋅、汞之間的相關(guān)性系數(shù)均在 0.8以上[66].也有研究發(fā)現(xiàn)用硫酸銅處理過(guò)的土壤中的 ARM 顯著增加[67],在實(shí)驗(yàn)室條件下研究Zn對(duì)鎮(zhèn)江桑樹(shù)圃的土壤ARGs水平基因轉(zhuǎn)移的影響發(fā)現(xiàn)高濃度的Zn可以促進(jìn)氨基糖苷類ARGs與轉(zhuǎn)座子和整合子豐度的上升,有利于MGEs介導(dǎo)的ARGs發(fā)生轉(zhuǎn)移[68].都說(shuō)明了重金屬對(duì)ARGs的產(chǎn)生及傳播有共選擇性作用.

3.3 有機(jī)物

除了抗生素、重金屬之外,還有很多有機(jī)物質(zhì)被認(rèn)為是ARGs的誘導(dǎo)因子,這些物質(zhì)多數(shù)有抗生劑的功效,被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)藥和個(gè)人護(hù)理品,在環(huán)境中的檢出量高出抗生素幾個(gè)數(shù)量級(jí),有可能成為 ARGs的潛在誘導(dǎo)因子[69].

另外,研究發(fā)現(xiàn)離子液體 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([BMIm][PF6])可以通過(guò)抑制基因 korA、korB和 trbA的 mRNA表達(dá)水平來(lái)提高大腸桿菌E.coli DH5α的同屬和跨屬的接合轉(zhuǎn)移,并通過(guò)增強(qiáng)kilA和kilB的mRNA的表達(dá)水平抑制垂向轉(zhuǎn)移[70].

3.4 其他環(huán)境因素的影響

一些環(huán)境因素也成為ARGs轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力,如土壤含水量,環(huán)境溫度,pH,離子強(qiáng)度等.

以色列再生水滴灌場(chǎng)地研究發(fā)現(xiàn)直接滴灌點(diǎn)的土壤中ARGs明顯高于 50cm遠(yuǎn)的土壤,推測(cè)含水率較高的土壤中有較高的微生物活性,促進(jìn)了ARGs的水平轉(zhuǎn)移過(guò)程[32].Trevors 等[71]發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中的R質(zhì)粒在30℃和22℃時(shí),發(fā)生了轉(zhuǎn)移,但在15℃時(shí),未發(fā)生轉(zhuǎn)移.說(shuō)明溫度會(huì)影響質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移過(guò)程.另外,二價(jià)離子相較于一價(jià)離子更能促進(jìn)DNA在土壤礦物表面的吸附[63].

此外環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)元素(如碳源、氮、磷等)對(duì)ARGs的轉(zhuǎn)移也有顯著影響.添加葡萄糖、α-乳糖能將城市污水中ARGs的水平轉(zhuǎn)移頻率提高了1-4個(gè)數(shù)量級(jí),而添加氮和磷也能顯著提高轉(zhuǎn)化結(jié)合子的數(shù)量[72].

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)作為抗生素的生產(chǎn)和使用大國(guó),環(huán)境中ARGs的污染不容忽視.ARB和ARGs不但可以隨施肥或者入滲進(jìn)入土壤,通過(guò) HGT在不同物種及環(huán)境間轉(zhuǎn)移.而且隨著微生物的不斷進(jìn)化,新的抗生素抗性機(jī)制也可能會(huì)隨之產(chǎn)生[66].ARGs在土壤中的分布特征、行為機(jī)理及傳播擴(kuò)散等研究工作尚處于起步階段.目前不僅對(duì)隨肥料施入土壤的外源ARGs對(duì)土壤ARGs的影響作用機(jī)制不明確[67],而且土壤理化特性對(duì)ARGs賦存的影響也不清楚,因此對(duì)土壤中ARB和ARGs的分布規(guī)律及轉(zhuǎn)移傳播特性亟需深入研究.

(1)開(kāi)展典型污染場(chǎng)地定點(diǎn)調(diào)查,全面掌握 ARGs的分布規(guī)律,污染程度,追蹤污染源,為 ARGs環(huán)境污染評(píng)價(jià)指標(biāo)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)參考,為建立相應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù).

(2)從前期預(yù)防,過(guò)程控制和末端治理同時(shí)入手深入研究ARGs在不同土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,以及影響其遷移轉(zhuǎn)化的環(huán)境因素,探討ARGs轉(zhuǎn)移傳播過(guò)程中的關(guān)鍵制約因子,建立相應(yīng)的數(shù)量關(guān)系,為預(yù)測(cè)和防治土壤ARGs污染提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

(3)積極開(kāi)展ARGs環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作,開(kāi)展ARGs的生態(tài)毒理研究,建立完善的 ARGs安全評(píng)估系統(tǒng),對(duì)保障人類健康和生態(tài)環(huán)境安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.