王燦,張媛,宋璐*
(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300350;2.天津市室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
近年來(lái),由于抗生素可以高效預(yù)防和治療由細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物等引起的感染而被廣泛使用[1]。但抗生素的使用誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生了使抗生素藥物失效的抗生素抗性基因(ARGs)。調(diào)查表明,全球超過(guò)70%的抗生素都被用于畜禽養(yǎng)殖[2]??股卦趧?dòng)物體內(nèi)只有少部分被吸收代謝,其余30%~90%通過(guò)排泄物進(jìn)入環(huán)境中[3],這為環(huán)境中耐藥細(xì)菌(ARB)的產(chǎn)生提供了更大的選擇優(yōu)勢(shì)。有研究表明,養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)動(dòng)物糞便中的微生物容易氣溶膠化,進(jìn)而可以向外排放[4-5],而懸浮在空氣中的微生物氣溶膠和細(xì)顆粒物是攜帶ARGs 從牲畜向人類傳播的主要途徑之一[6-7]。人畜共患病抗性病原體在新出現(xiàn)的傳染病事件中起到關(guān)鍵作用[8],近年來(lái)動(dòng)物源病原體在空中傳播引起的人類健康危機(jī)受到了廣泛關(guān)注[9-10],因此有必要研究畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中ARGs 及ARB 的空氣傳播途徑。在此基礎(chǔ)上,本研究針對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中抗生素的使用及氣載ARGs相關(guān)研究和公告做了調(diào)查,結(jié)果見圖1。
圖1 畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中抗生素的使用及氣載ARGs的研究進(jìn)展Figure 1 Development of antibiotics and airborne ARGs in livestock farms
目前人們對(duì)于水和土壤環(huán)境中ARGs 的賦存規(guī)律及歸趨特性已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究[11-13],但對(duì)于氣載ARGs 的關(guān)注較少。同時(shí),由于空氣與其他介質(zhì)不同,空氣中的傳質(zhì)阻力更小、擴(kuò)散性更強(qiáng),而且機(jī)理更為復(fù)雜,影響可能更大。因此,本文討論總結(jié)了畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs 的污染現(xiàn)狀與傳播轉(zhuǎn)移特點(diǎn),探究了畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載抗性基因傳播的影響因素和對(duì)人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn),為今后畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)管控提供參考。
氣載ARGs 的采集方法通??梢园凑掌洳杉韯澐譃樽矒羰讲蓸臃ā庑讲蓸臃?、靜電式采樣法和過(guò)濾式采樣法,ARGs 常見的分析方法有PCR、qPCR、HT-qPCR、ddPCR、宏基因組學(xué)或多種方法的組合,采集及檢測(cè)方法的選擇對(duì)于最終的檢測(cè)結(jié)果和效率有著重要的影響。近年來(lái),越來(lái)越多的研究在畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣環(huán)境中檢出ARGs[14-23](表1)。在養(yǎng)豬場(chǎng)空氣環(huán)境中,Liu 等[24]研究發(fā)現(xiàn)94%的菌株對(duì)磺胺甲惡唑具有耐藥性,有3 種菌株對(duì)9 種抗生素具有耐藥性,并發(fā)現(xiàn)攜帶ARGs 的金黃色葡萄球菌形成的氣溶膠已擴(kuò)散到養(yǎng)殖場(chǎng)外的環(huán)境中。Chen等[25]在豬場(chǎng)、牛場(chǎng)、蛋雞舍、肉雞舍內(nèi)空氣中均發(fā)現(xiàn)了大量的ARB。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣中的ARGs 及ARB 主要來(lái)源于動(dòng)物糞便,糞便中的ARGs 及ARB 隨著糞便處理和動(dòng)物移動(dòng)很容易被氣溶膠化[26]。但有研究發(fā)現(xiàn),某些ARGs 如mexF 在氣溶膠中的相對(duì)豐度高于在糞便中的,這表明氣溶膠中的ARGs也可能存在其他來(lái)源[27]。
表1 典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs的檢出Table 1 Detection of airborne ARGs in the livestock farms
通過(guò)查閱文獻(xiàn),將“空氣”“氣載”“氣溶膠”“大氣”“抗性 基 因”“抗性”“抗 菌”“抗 生素”“養(yǎng) 殖 場(chǎng)”“雞 場(chǎng)”“豬場(chǎng)”“牛場(chǎng)”“畜禽”中不同屬性的關(guān)鍵詞進(jìn)行組合,在中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,將“air”“airborne”“airborne”“bioaerosol”“atmosphere”“antimicrobial”“antibi-otic”“anti-bacterial”“antibiotic resistance”“resist”“an-tibiotic”“farm”“chicken farm”“pig farm”“l(fā)ivestock and poultry”中不同屬性的關(guān)鍵詞進(jìn)行組合,在Web of Sci-ence 中檢索近5 年的文獻(xiàn),并刪除不相關(guān)文章,對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)中國(guó)內(nèi)外典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)氣載ARGs 檢出頻次與濃度范圍進(jìn)行整理總結(jié),見圖2。如圖2a 所示,關(guān)于養(yǎng)雞場(chǎng)中氣載ARGs 的研究較多,且集中于四環(huán)素類ARGs。四環(huán)素是一類廣譜抑菌藥物,因其價(jià)格低廉且高效的優(yōu)勢(shì)在畜禽養(yǎng)殖中有較高使用頻率[2],據(jù)調(diào)查我國(guó)2013 年用于畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的四環(huán)素總量為5 780 t,其中1 130 t 用于養(yǎng)雞場(chǎng)[28]。在選擇壓力下,許多細(xì)菌對(duì)四環(huán)素類抗生素產(chǎn)生耐藥性,且這些細(xì)菌廣泛存在于各類畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣環(huán)境中。除此以外,四環(huán)素類、磺胺類、β-內(nèi)酰胺類、MLSB 類ARGs在畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣環(huán)境中均有較高檢出濃度,最高可達(dá)108copies·m-3(圖2b)。值得注意的是,萬(wàn)古霉素類ARGs 雖然檢出濃度較低,但其是在所有抗生素均失效的情況下用來(lái)治療嚴(yán)重感染的抗生素,被認(rèn)為是“最后一線藥物”,這表明畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣環(huán)境中存在的抗生素健康風(fēng)險(xiǎn)不容小覷。
圖2 典型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs檢出頻率及濃度范圍Figure 2 Detection frequency and concentration range of airborne ARGs in the environment of livestock farms
畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中ARGs 分布廣泛,對(duì)環(huán)境和人體健康都存在威脅,其中氣載ARGs 潛在的在宏觀環(huán)境中的傳播擴(kuò)散途徑如圖3 所示。研究表明,畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)氣載ARGs 來(lái)源廣泛,其中糞便是氣載ARGs 的主要來(lái)源之一[14]。由于空氣動(dòng)力學(xué)的性質(zhì),空氣傳播的ARGs 可能會(huì)由于天氣事件的驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸。通過(guò)對(duì)雞場(chǎng)和奶牛場(chǎng)的氣溶膠及周圍空氣進(jìn)行研究并建立大氣擴(kuò)散模型,發(fā)現(xiàn)空氣中的ARGs 可以沿風(fēng)向從畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)分散到10 km 的距離[17]。另一項(xiàng)研究表明,來(lái)自養(yǎng)殖場(chǎng)的細(xì)菌可能導(dǎo)致周圍半徑3 km 內(nèi)的居民暴露[29]。同時(shí),相對(duì)于水和土壤中的ARGs,氣載ARGs 傳播更迅速,傳播距離更遠(yuǎn),而且比較容易被人體吸入,因此可能更直接地對(duì)人體造成危害。
圖3 畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中ARGs的傳播擴(kuò)散示意圖Figure 3 Schematic diagram of ARGs spread in livestock farms
與此同時(shí),畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中的ARGs 可以是內(nèi)源抗性(即自身固有),即可以通過(guò)誘變因素誘導(dǎo)而自發(fā)突變,還可以通過(guò)基因的遷移轉(zhuǎn)化獲得[30-31]。其中基因的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制包括垂直轉(zhuǎn)移(VGT)和水平轉(zhuǎn)移(HGT)(圖4)。HGT 是通過(guò)可移動(dòng)的載體將ARGs 從供體菌轉(zhuǎn)移到受體菌的過(guò)程,具體的方式有接合、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)等(圖4)[32]。在接合過(guò)程中,質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子、整合子、插入序列、插入序列共同區(qū)元件、基因組島和整合接合元件等可移動(dòng)基因元件(MGEs)通過(guò)接合菌毛由供體細(xì)胞轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞[33]。轉(zhuǎn)化是處于感受態(tài)的細(xì)菌吸收并整合環(huán)境中存在的DNA 的過(guò)程[34]。轉(zhuǎn)導(dǎo)是將外源宿主遺傳物質(zhì)整合到噬菌體中,噬菌體通過(guò)捕食來(lái)傳遞遺傳物質(zhì)的過(guò)程[35]。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)是易感細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性并傳播的重要場(chǎng)所。研究發(fā)現(xiàn),豬場(chǎng)室內(nèi)氣載ARGs 在冬季時(shí)的主要傳播方式是HGT[14]。對(duì)于具有耐藥性的氣載病原體,ARGs 在空氣環(huán)境中的HGT 可能對(duì)人體健康造成很大的風(fēng)險(xiǎn)。VGT 是指攜帶ARGs 的菌株通過(guò)繁殖進(jìn)行的親代和子代的基因傳遞。VGT 也可以發(fā)生在HGT 的情況之下,即由HGT 形成的轉(zhuǎn)導(dǎo)接合物可以通過(guò)次級(jí)HGT和細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)一步促進(jìn)ARGs的傳播[36]。由于在自然環(huán)境中,HGT 與VGT 共存,在研究中我們需要區(qū)分VGT 和HGT,從而了解這兩種重要轉(zhuǎn)移途徑的機(jī)制,進(jìn)而深入分析ARGs總體傳播的影響因素。
圖4 ARGs在微生物之間的轉(zhuǎn)移Figure 4 Transmission of ARGs between microorganisms
抗生素作為預(yù)防和促生長(zhǎng)添加劑被廣泛添加到畜禽飼料中[37]??股氐挠绊懼饕ㄏ到y(tǒng)異常、超敏反應(yīng)、毒性作用以及抗生素耐藥細(xì)菌的產(chǎn)生和傳播。研究表明,畜禽養(yǎng)殖中添加的抗生素經(jīng)畜禽消化吸收后,會(huì)在體內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的ARGs,這些ARGs 可通過(guò)呼吸或排泄物進(jìn)入環(huán)境中[38]。排泄物中的ARGs 不僅會(huì)污染周圍的水和土壤生態(tài)系統(tǒng),還會(huì)向大氣環(huán)境逸散傳播[14]。Song 等[39]研究發(fā)現(xiàn)使用抗生素的雞場(chǎng)中氣載ARGs 的濃度比未使用抗生素的雞場(chǎng)高約2個(gè)數(shù)量級(jí),并且添加抗生素時(shí)發(fā)生HGT的可能性也較高。研究表明,實(shí)行抗生素藥物管理制度可以成功減少耐藥性,例如美國(guó)通過(guò)有機(jī)飼料喂養(yǎng)使得養(yǎng)雞場(chǎng)的多重耐藥率從84%下降至17%[40]。因此,限制動(dòng)物養(yǎng)殖中抗生素的添加是控制環(huán)境中ARGs的直接途徑[41]。
細(xì)菌作為各種ARGs 的宿主菌,除了可以用來(lái)評(píng)估對(duì)人類的健康風(fēng)險(xiǎn)外,還可以為ARGs 的傳播提供針對(duì)性信息。細(xì)菌群落的變化會(huì)影響ARGs 的豐度和多樣性。Mantel 試驗(yàn)表明,ARGs 與細(xì)菌群落組成密切相關(guān),表明細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化是影響ARGs 變化的重要因素,同時(shí)該研究通過(guò)方差分解分析確定了細(xì)菌群落占ARGs變化總量的27.6%,在ARGs的傳播過(guò)程中起了關(guān)鍵作用[42]。值得注意的是,一些導(dǎo)致人畜共患病的條件致病菌(如Kocuria、Staphylococcus、Escherichia和Pseudomonas)與ARGs 顯著相關(guān),表明這些屬可能會(huì)改變生物氣溶膠中ARGs 的結(jié)構(gòu),并且Ruminococcus與多種ARGs 均呈正相關(guān),說(shuō)明其可能具有多重耐藥性[43]。我們需要進(jìn)一步研究畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs 的宿主,以建立更有效的方法來(lái)控制ARGs的傳播。
整合子、轉(zhuǎn)座子及質(zhì)粒等MGEs 是ARGs 發(fā)生HGT 的重要載體。既往研究已經(jīng)建立了MGEs 與ARGs 之間的共現(xiàn)模式和顯著相關(guān)性,ARGs 與MGEs共現(xiàn)率較高時(shí)ARGs 有較大的可能發(fā)生HGT,HGT 能夠加快ARGs 的傳播和繁殖[44]。如在養(yǎng)豬場(chǎng)中,冬季空氣樣本中的目標(biāo)ARGs 與MGEs 的共現(xiàn)率較夏季更高,其中轉(zhuǎn)座子IS613與整合子intl1幾乎與所有ARGs顯著相關(guān)(P<0.05),并且氣載ARGs 濃度分布結(jié)果表明,冬季氣載ARGs的平均濃度顯著高于夏季[14]。
溫度和濕度等物理因素都在生物氣溶膠的發(fā)生、遷移、沉積中起著重要的作用。溫度影響微生物在空氣中的存活時(shí)間,進(jìn)而可改變微生物的群落結(jié)構(gòu)[45-46]。微生物群落的豐度和種類隨溫度變化,從而會(huì)影響其ARGs攜帶能力[47]。由于水分會(huì)增加生物氣溶膠的粒徑而增強(qiáng)沉積,因此濕度較大時(shí)大氣中微生物的豐度會(huì)降低,從而導(dǎo)致氣載ARGs 的減少。同時(shí),潮濕環(huán)境使得土壤或糞便中微生物氣溶膠化變得更加困難,在一定程度上將會(huì)降低空氣中微生物群落的豐度,從而影響氣載ARGs 的賦存[48]。Song 等[14]發(fā)現(xiàn)濕度對(duì)豬場(chǎng)空氣中宿主菌和ARGs/MGEs 均有負(fù)面影響。此外,畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中積累的排泄物和殘留的飼料釋放的氣溶膠很容易吸附空氣中的微生物和氨、硫化氫等污染物[49],一方面,這些污染物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),可以為一些細(xì)菌的生長(zhǎng)和代謝提供能量;另一方面,它們可能對(duì)細(xì)菌有毒性作用[50],進(jìn)而影響ARGs 的賦存。除此以外,PM2.5作為細(xì)菌生長(zhǎng)的載體也會(huì)影響氣載ARGs 的分布。因此,不同環(huán)境因素對(duì)氣載ARGs的影響機(jī)制研究將為養(yǎng)殖條件的管理提供理論指導(dǎo)。
由ARB 引起的感染比由敏感微生物引起的感染更容易引起高死亡率[11]。預(yù)計(jì)到2050 年,與ARB 相關(guān)的人類感染將導(dǎo)致全球約1 000萬(wàn)人死亡[51]??股啬退幮缘慕】碉L(fēng)險(xiǎn)主要有兩方面:第一,由耐藥菌引起的人體感染使得疾病治療難度加大;第二,HGT使其他菌落尤其是致病菌產(chǎn)生耐藥性,增加了感染的風(fēng)險(xiǎn)。因此根據(jù)發(fā)生、暴露等數(shù)據(jù)定量評(píng)估ARGs 與ARB的人類健康風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。
通過(guò)分析特定的ARGs與ARB的濃度計(jì)算暴露劑量和劑量反應(yīng)關(guān)系,可以評(píng)估ARGs 與ARB 的健康風(fēng)險(xiǎn)[11]。暴露劑量(copies·kg-1·d-1)是指人類個(gè)體單位體質(zhì)量每日接觸到ARGs 的劑量。Wang 等[52]研究發(fā)現(xiàn),在衛(wèi)生間和普通室外空氣環(huán)境中,通過(guò)呼吸途徑暴露于ARGs 的劑量(102~104copies·kg-1·d-1)略低于通過(guò)食物攝入的劑量(103~105copies·kg-1·d-1),但高于通過(guò)飲用水?dāng)z入的劑量(101~105copies·kg-1·d-1),特別是通過(guò)空氣吸入的blaTEM-1比通過(guò)飲用水的暴露劑量高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)(圖5)。與城市或城市固體廢物處理系統(tǒng)中的空氣相比[53-55],畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中存在更多的氣載ARGs,因此造成的人類暴露風(fēng)險(xiǎn)更高[56]。如與暴露于城市固體廢物處理場(chǎng)的工人相比[54],養(yǎng)殖場(chǎng)中的工人吸入的qnrA和qnrS更多[57]。因此,畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)成為了對(duì)人類具有較大健康風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所。
圖5 ARGs通過(guò)食物、飲用水、接觸和呼吸途徑的暴露劑量Figure 5 Exposure dose rate of ARGs through food intake,drinking water,skin and the respiratory route
我國(guó)在畜禽養(yǎng)殖行業(yè)使用的大量抗生素造成了嚴(yán)重的ARGs 污染,但對(duì)于畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)氣溶膠中的ARGs 的研究較少,且仍處于起步階段。本文對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs 進(jìn)行了綜合闡述,包括其性質(zhì)、行為、傳播和人類健康風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明在畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣中存在多種類、高濃度的ARGs,其中氣載ARGs的發(fā)生和傳播方式受到抗生素使用、細(xì)菌群落、MGEs和環(huán)境條件等多種因素影響,具有較高的人體健康暴露風(fēng)險(xiǎn),因此本文對(duì)未來(lái)開展相關(guān)的研究提出以下幾點(diǎn)建議:
(1)優(yōu)化氣載ARGs的采集與檢測(cè)方法
氣載ARGs 與水和土壤中的ARGs 不同,空氣中可收集顆粒物的可用性有限,采集的樣本生物量低,導(dǎo)致空氣中的ARGs 不能直接分析和檢測(cè)。在樣本采集方面,固體撞擊采樣法會(huì)使樣品增殖,從而無(wú)法準(zhǔn)確定量ARGs 濃度;液體撞擊采樣法僅用于短時(shí)間的空氣樣品采集,由于采樣時(shí)間短、樣品生物量低而不能監(jiān)測(cè)空氣中較低濃度的ARGs。而過(guò)濾式采樣法能在一定程度上解決培養(yǎng)法定量難的問題,且通過(guò)延長(zhǎng)采樣時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)低濃度空氣中ARGs 的富集,減小撞擊采樣法造成的樣品損失。現(xiàn)階段研究對(duì)于ARGs 的檢測(cè)手段存在缺陷。由于ARGs 引物的可用性有限,較多基于PCR 及qPCR 的檢測(cè)方法只能集中于少數(shù)類型的ARGs 亞型,此外,常規(guī)PCR 及qPCR 的低通量和擴(kuò)增偏差,使實(shí)際畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs的完整性及綜合性分析具有挑戰(zhàn)性。
(2)探究畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs 的傳播機(jī)制與健康風(fēng)險(xiǎn)
一些人為和生物物理過(guò)程影響和控制了氣載ARGs 的傳播和轉(zhuǎn)移。結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)特征,畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs 可能在場(chǎng)外廣泛傳播,從而造成較大的生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)。全面了解這些人為和環(huán)境影響因素對(duì)于制定保障人類健康及緩解畜禽養(yǎng)殖行業(yè)耐藥性戰(zhàn)略至關(guān)重要。然而,目前關(guān)于氣載ARGs 和ARB 在畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)及周圍環(huán)境的生物氣溶膠中傳播和轉(zhuǎn)移的研究過(guò)于簡(jiǎn)單化,對(duì)許多方面仍然知之甚少,包括:耐藥菌和非耐藥菌之間耐藥性轉(zhuǎn)移的可能性和機(jī)制;生物氣溶膠在沉積過(guò)程中ARGs 和ARB 的環(huán)境行為和持久性;生物氣溶膠的降解過(guò)程、人體健康暴露和健康風(fēng)險(xiǎn)研究。因此需要進(jìn)一步深入研究,清晰了解各種因素之間的互作關(guān)系,從而減緩畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs的產(chǎn)生與傳播。
(3)評(píng)估“禁抗令”對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中耐藥性的影響
我國(guó)于2017 年出臺(tái)了《全國(guó)遏制動(dòng)物源細(xì)菌耐藥行動(dòng)計(jì)劃》,打擊飼料生產(chǎn)企業(yè)違規(guī)添加行為;2019年7月發(fā)布了第194號(hào)公告,停止生產(chǎn)、進(jìn)口、經(jīng)營(yíng)、使用部分抗生素作為飼料添加劑。在我國(guó)已經(jīng)全面開展“禁抗令”行動(dòng)的背景下,畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中仍存在耐藥性問題。目前,針對(duì)“禁抗令”對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中氣載ARGs 及ARB 影響的相關(guān)研究較少,且由于養(yǎng)殖方式、養(yǎng)殖規(guī)模、“禁抗令”前后抗生素藥物添加的劑量、種類等不盡相同,“禁抗令”產(chǎn)生的影響也有所差異,現(xiàn)有研究缺少對(duì)“禁抗令”實(shí)施后畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)所耐藥性的全面評(píng)估,因此有待進(jìn)行深入研究,以期為畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的科學(xué)發(fā)展提供理論依據(jù)。