抗生素存在下給水管網(wǎng)中細(xì)菌抗生素抗性和消毒劑抗性研究進(jìn)展

邢佳夷張永吉周玲玲(.長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海0009；.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海0009)

0 引言

自1929年青霉素被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，抗生素得到廣泛應(yīng)用。然而大部分抗生素不能被機(jī)體吸收，殘留在地下水、地表水甚至飲用水中，濃度集中在mg/L級(jí)別。水環(huán)境中殘留的抗生素，不僅對(duì)水生生物造成影響，還會(huì)誘導(dǎo)ARB和ARGs產(chǎn)生，通過(guò)飲用水或食物鏈等方式對(duì)人體健康構(gòu)成威脅[1]。2011年德國(guó)“毒黃瓜”事件、2013年美國(guó)圣保羅沙門氏菌感染事件均由ARB 引起，它們所攜帶的ARGs成為一種新型污染物。相似的，從20世紀(jì)70年代美國(guó)軍團(tuán)菌感染事件開始，細(xì)菌對(duì)消毒劑抗性也逐漸引起人們重視。

目前對(duì)于飲用水中ARB和ARGs的研究多集中在ARB和ARGs在源水中的分布、水處理工藝去除效果等方面，關(guān)于細(xì)菌消毒劑抗性的研究主要集中在耐氯菌的種類、危害以及消毒效果評(píng)價(jià)方面。但給水管網(wǎng)中細(xì)菌抗生素抗性和消毒劑抗性機(jī)制及它們之間的關(guān)系尚不明確。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，就給水管網(wǎng)抗生素、ARB和ARGs 的含量、耐氯菌的特性以及消毒劑抗性和耐藥性關(guān)系進(jìn)行綜述，以期為今后進(jìn)一步研究給水管網(wǎng)中生物耐藥性提供參考。

1 給水管網(wǎng)中細(xì)菌抗生素抗性

1.1 給水管網(wǎng)中抗生素污染

給水管網(wǎng)中抗生素含量通常較低，但隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān)給水管網(wǎng)中抗生素殘留的相關(guān)報(bào)道越來(lái)越多。Gaffney在葡萄牙的飲用水樣品中，檢出包含磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑和紅霉素等7種藥物，濃度在0.09～46ng/L[2]。Ye在美國(guó)北卡羅來(lái)納州的氯化飲用水樣本中檢出磺胺甲惡唑3.0～3.4ng/L、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素1.4～4.9ng/L、喹諾酮類抗生素1.2～4.0ng/L[3]。Ho在我國(guó)北京、上海等13個(gè)城市不同季節(jié)的113個(gè)龍頭水中檢出包含磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類等11種抗生素，磺胺二甲基嘧啶濃度超過(guò)50ng/L[4]。張練研究了天津市某供水管網(wǎng)中四環(huán)素類、喹諾酮類、氯霉素類、大環(huán)內(nèi)酯類以及林可胺類共16種抗生素時(shí)空分布特征，管網(wǎng)中單種抗生素濃度最高達(dá)8.62ng/L，總濃度在7月份管網(wǎng)起點(diǎn)處達(dá)到最高26.6ng/L[5]。Yiruhan 在廣州和澳門市政末梢水中檢出氟喹諾酮類抗生素，包括環(huán)丙沙星、諾氟沙星、洛美沙星和恩諾沙星，其中環(huán)丙沙星濃度最高達(dá)679.7ng/L，檢出率77.5%以上[6]。以上研究表明，國(guó)內(nèi)外供水管網(wǎng)中抗生素痕量存在已成為普遍現(xiàn)象，且其污染情況在時(shí)間和空間上存在差異[5]，并受降雨季節(jié)影響[6]。

1.2 給水管網(wǎng)中ARB和ARGs污染

目前ARB和ARGs 被發(fā)現(xiàn)在水源水中廣泛存在，水處理廠的消毒工藝以及長(zhǎng)距離管網(wǎng)輸送中的復(fù)雜反應(yīng)，促進(jìn)了細(xì)菌耐藥性的增加和ARGs的富集。Prabhat 等在孟加拉國(guó)達(dá)卡市的175個(gè)龍頭水中檢測(cè)出57%的抗氨芐西林大腸桿菌、45%的抗四環(huán)素大腸桿菌，超過(guò)73%的大腸桿菌為雙抗菌[7]。Xi 等對(duì)美國(guó)密歇根州和俄亥俄州部分地區(qū)管網(wǎng)水的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)大部分ARGs的濃度較出廠水增加明顯，其中利福平抗性菌占細(xì)菌總數(shù)的比例最高達(dá)82%[8]。王青等發(fā)現(xiàn)以九江下游水為源水的供水管網(wǎng)中存在四環(huán)素類抗性基因tetA、tetG、大環(huán)內(nèi)酯類抗性基因ermB和萬(wàn)古霉素類抗性基因vanA，其中tetA 和ermB濃度較出廠水下降，tetG 和vanA 反之[9]。以上研究表明，管網(wǎng)中ARB和ARGs 的污染現(xiàn)象較普遍，管壁生物膜復(fù)雜的外聚物及空間組織成為ARGs從一個(gè)宿主細(xì)菌到另一個(gè)宿主細(xì)菌水平轉(zhuǎn)移的極佳環(huán)境條件，可能會(huì)增加細(xì)菌額外的抗生素耐藥性風(fēng)險(xiǎn)，引起細(xì)菌群落的遷移，促進(jìn)ARB 的生長(zhǎng)和ARGs 的水平傳播[10,11]。

2 給水管網(wǎng)中細(xì)菌消毒劑抗性

消毒劑抗性菌指在常用消毒劑濃度作用下，甚至在較高余氯濃度條件下仍不能被殺滅的菌株。Langsrud 認(rèn)為如果某個(gè)(或某種)微生物能夠比其他微生物在更高的氯消毒劑中存活或生長(zhǎng)，就說(shuō)明該微生物具有更高的耐氯性[12]Staphylococcus spp.13%。我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB 5749—2006》規(guī)定氯消毒與水接觸30min 以后，水中的自由氯不應(yīng)低于0.3mg/L。因此，通常認(rèn)為能夠在0.3mg/L 以上的余氯系統(tǒng)中存活30m in 以上的細(xì)菌稱為耐氯菌。

2.1 給水管網(wǎng)中的耐氯菌

耐氯菌的存在對(duì)飲用水安全提出了挑戰(zhàn)。一方面有些耐氯菌本身就是病原菌或條件致病菌，如分枝桿菌、軍團(tuán)菌、銅綠色假單胞桿菌等，它們進(jìn)入管網(wǎng)后會(huì)引起介水傳染病的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，某些非致病性耐氯菌在管網(wǎng)中以生物膜或懸浮狀態(tài)長(zhǎng)期存在，導(dǎo)致龍頭水細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)等問(wèn)題。在我國(guó)南方某自來(lái)水管網(wǎng)中富集分離出7株耐氯菌，包括類龜分支桿菌、血紅鞘胺醇單胞菌和甲基桿菌，其中類龜分枝桿菌耐氯性最強(qiáng)，使用自由氯滅活99.9%時(shí)CT值為120mg/L·min，是金黃色葡萄球菌的260倍[13]。Wang 等在美國(guó)弗吉尼亞州的兩個(gè)典型氯胺消毒管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)分枝桿菌，其檢出率100%[14]。Liu 對(duì)廣州和北京供水管網(wǎng)的生物膜群落結(jié)構(gòu)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，生物膜中分枝桿菌的種群多樣性很低，M.arupens和M.gordonae是主要種群，且M.arupense比M.gordonae更耐受氯化物消毒劑[15]。以上研究表明，在給水管網(wǎng)中普遍存在著耐氯性細(xì)菌。

2.2 細(xì)菌對(duì)消毒劑的抗性機(jī)制

細(xì)菌對(duì)消毒劑的抗性一方面表現(xiàn)為由微生物本身的特殊結(jié)構(gòu)或性能所致的固有性抗性，另一方面是在長(zhǎng)期與消毒劑的相互作用過(guò)程中，通過(guò)各種途徑得到的獲得性抗性。目前消毒劑抗性機(jī)理歸納起來(lái)包括：生物膜的形成、表面滲透性改變、主動(dòng)外排系統(tǒng)，以及酶失活等。

①生物膜的形成。大量研究表明吸附于生物膜的微生物對(duì)于消毒劑的抵抗能力比懸浮生長(zhǎng)的微生物強(qiáng)很多，在實(shí)際供水管網(wǎng)中，生物膜中的細(xì)菌群體還可以產(chǎn)生協(xié)同抗消毒劑作用[10]。②細(xì)菌細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與成分改變導(dǎo)致通透性改變，從而阻礙消毒劑進(jìn)入細(xì)胞發(fā)揮其原有濃度作用效果。③主動(dòng)外排系統(tǒng)依靠轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，將消毒劑等運(yùn)出細(xì)胞以降低其濃度，例如大腸桿菌的Em rE泵。④細(xì)菌還可以通過(guò)產(chǎn)生抵抗或降解消毒劑的酶從而產(chǎn)生消毒劑抗性。

3 細(xì)菌抗生素抗性和耐氯性的關(guān)系

抗生素與消毒劑同屬于具有特殊抑殺微生物作用的化學(xué)物質(zhì)，它們對(duì)微生物的作用機(jī)制有很多相同或相似之處?？股赝ㄟ^(guò)破壞或抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成、影響細(xì)菌DNA 或者R NA 的復(fù)制影響蛋白質(zhì)的合成或代謝途徑等機(jī)制對(duì)細(xì)菌發(fā)揮作用。消毒劑的作用機(jī)制則還包括電荷相互作用、物理因素和化學(xué)反應(yīng)[16]。

細(xì)菌對(duì)消毒劑產(chǎn)生耐受性與其對(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性存在一定關(guān)系。Thorrold 發(fā)現(xiàn)家用含氯抗菌清潔劑的使用能提高沙門氏菌和大腸桿菌對(duì)氟喹諾酮類和四環(huán)素類抗生素的耐藥性[17]。孫利群發(fā)現(xiàn)3株臨床分離的多重耐藥大腸桿菌對(duì)含氯消毒劑均具有一定的抗性[18]。對(duì)消毒劑產(chǎn)生抗性的細(xì)菌對(duì)抗生素也可能產(chǎn)生耐藥性，部分耐藥菌對(duì)某些消毒劑也具有一定抗性，即細(xì)菌對(duì)消毒劑與抗生素存在交叉抗性，例如在金葡菌家族中PSK1質(zhì)粒既有編碼對(duì)溴乙錠、季胺類抗性的qacA 基因，又有抗生素耐藥基因Gmγ、Gmγ、TMγ、Kγ、Trγ等[19]。但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)兩者抗性機(jī)制不盡相同，例如與耐藥菌修飾或改變抗生素作用靶位點(diǎn)從而產(chǎn)生耐藥性的機(jī)制不同，消毒劑對(duì)細(xì)菌細(xì)胞可以有多個(gè)作用位點(diǎn)，改變某一個(gè)靶點(diǎn)一般不能夠引起抗性作用[13]。

4 研究展望

綜上所述，給水管網(wǎng)中細(xì)菌抗生素抗性和耐氯性須要得到關(guān)注。一方面對(duì)于細(xì)菌抗生素抗性和耐氯性機(jī)制的研究還需進(jìn)一步深入，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有消毒方法，防止消毒劑長(zhǎng)期選擇作用下細(xì)菌多重耐藥性的產(chǎn)生。我國(guó)現(xiàn)行飲用水標(biāo)準(zhǔn)中僅有菌落總數(shù)、腸球菌數(shù)等少量微生物指標(biāo)，對(duì)于抗生素濃度、ARB和ARGs含量以及其它耐氯菌的規(guī)定尚不明確，建議國(guó)家相關(guān)部門結(jié)合國(guó)際情況和國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，開展專項(xiàng)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為我國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的制定、發(fā)展和健康影響評(píng)價(jià)提供技術(shù)儲(chǔ)備。