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科研 | 兰州大学：黄河水和自来水中抗生素抗性基因的季节分布及其从水到人的潜在传播（国人佳作）

时间：2022-06-20 来源： 浏览：

科研 | 兰州大学：黄河水和自来水中抗生素抗性基因的季节分布及其从水到人的潜在传播（国人佳作）

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编译：微科盟xlin_w ，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读

水环境中抗生素抗性基因（ARGs）和条件致病菌的流行和传播对公众健康构成巨大威胁。然而，对ARGs和条件致病菌从水环境传播给人类的研究还很少。本研究采用 16S rRNA基因测序和高通量定量PCR技术 ，研究了兰州地区黄河水源和自来水中ARGs和条件致病菌的季节分布及其与健康人群的关系。并采用理化分析方法测量水的质量参数和重金属含量。黄河和自来水中ARGs的绝对丰度和多样性表现出明显的季节变化规律。冬季，ARGs丰度和多样性在黄河水中最高，而自来水最低。 可移动元件（MGEs）是ARGs在黄河和自来水中都存在的主要原因。 零模型分析表明，黄河水中ARGs组装受随机过程的影响大于自来水，且不受季节的影响。总有机碳和砷含量与多种ARGs呈正相关。条件致病菌气单胞菌（ Aeromonas ）和假单胞菌（ Pseudomonas ）可能是ARGs的潜在宿主。大约80%检测到的ARGs在水样和人体肠道之间共享。这些持续性ARGs不能通过饮用水处理过程完全消除。因此， 保护自来水来源不受人为污染，改善水处理技术，以减少ARGs的传播，这对确保饮用水对人类健康的生物安全至关重要。

图文摘要

论文ID

原 名： Seasonal distribution of antibiotic resistance genes in the Yellow River water and tap water, and their potential transmission from water to human 

译 名 ： 黄河水和自来水中抗生素抗性基因的季节分布及其从水到人的潜在传播

期刊 ： Environmental Pollution

IF： 8.071

发表时间： 2021.10

通讯作 者： 李欢

通讯作者单位： 兰州大学草地微生物研究中心

DOI号： 10.1016/j.envpol.2021.118304

实验设计

实验结果

1 水质和重金属含量的随季节的变化情况
图1显示了黄河水和自来水样品的14个水质理化参数和6种重金属的含量在四季中的变化情况。对于黄河水，根据中国地表水环境质量标准（环境保护署【GB3838 - 2002】，中国，2002）可知其pH值和溶解氧（DO）浓度、NH 4 + -N、TP、NO 3 -N、铜、锌、砷、汞、镉和钴都低于第三类标准的阈值。自来水的pH值和总溶解的固体（TDS）、NO 3 -N、NH 4 + -N、砷、镉、铜、汞、锌含量均在饮用水质量标准的阈值范围内（环境保护署【GB5749-2006】，中国，2006）。 水体pH、盐度、DO、TDS和汞随四季变幻的波动不大或不波动，水温（T W ）在四季间波动较大，且两种水体在各季节间温度差异显著 。黄河中重金属砷含量的变化与自来水中重金属砷含量的变化相反。双向方差分析表明（表S3）， 水的类型可以影响大部分水质因子，而季节只影响水的TDS、T W 、导电性（CON）、盐度、pH和氧化还原电位（ORP）。
 
图1.黄河水和自来水的理化性质及重金属含量随季节的变化（a-t）。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和Tukey事后检验比较两种水体在各季节的显著差异。显著差异用不同的字母标记（ P < 0.05 ）。
 
2 两种水体中ARGs的多样性和丰度随季节的变化情况
在72个靶基因中，除16S rRNA基因外，在自来水和黄河水样中检测到58个ARGs亚型和2个整合子。共鉴定出9种ARGs类型（即：四环素类、β -内酰胺酶类、大环内酯-林可霉素-链霉素B （MLSB）、多药类、万古霉素类、磺胺类、氨基糖苷类、氯霉素类和其他类型耐药基因）。在每个季节，河水中的ARGs数量都高于自来水（图2a）。 在冬季，河水中检测到的ARGs数量最多，而自来水中检测到的ARGs数量最少。在大多数样本中，四环素抗性基因的检测频率最高 （图2a）。
各季节抗性机制的比例如图2b所示。在四季中，抗生素失活是黄河水中ARGs最重要的耐药机制，其次是外排泵和细胞保护。秋季和冬季自来水样品中ARGs的主要耐药机制与秋季和冬季河水样品相同，而春季和夏季水样中ARGs的主要耐药机制是外排泵、抗生素失活和细胞保护。 Venn图显示了两种水体在不同季节间的独特和共有的ARGs （图2c-h）。黄河水中四季共有抗性基因比例（78.6%）高于自来水（38.8%）。黄河与自来水共有ARGs的比例春季最高（69.8%），冬季最低（47.3%）。从春季到冬季，两种水体共享ARGs的比例逐渐降低。
对于黄河水样，总ARGs绝对丰度变化范围为2.71×10 6 到8.35×10 8   copies/L。在自来水中，丰度在4.98×10 1 和1.70×10 6   copies/L之间波动。整合子 intI-1 在河水（1.72×10 7  copies/L）和自来水（9.98×10 4   copies/L）中绝对丰度最高，而 sul1 基因在河水（1.71×10 7   copies/L）和自来水（5.73×10 3   copies/L）中是最主要的ARGs。图3a-b中的热图和直方图揭示了 ARGs亚型和类型的绝对丰度的季节变化情况 。冬季，黄河水ARGs总量绝对丰度最高（1.80×10 8 个copies/L），自来水最低（9.61×10 2 个copies/L）。ARGs绝对丰度的季节变化与ARGs拷贝数的季节模式极为相似。
各季节黄河水与自来水的ARGs差异丰度如图S2所示。 所有差异丰度基因在河水中的丰度均显著高于自来水。 例如，在冬季， blaIMP-02、vanHB 和 ermA 基因在黄河水中的丰度显著高于自来水。图S3显示了4个季节之间水体中ARGs的差异性。 在黄河水体中，大部分ARGs在冬季富集。相比之下，自来水中的ARGs在春季和夏季更为丰富。这些丰度差异的ARGs可作为监测自来水污染的指标。 NMDS图显示了两种水体之间ARGs群落的分布（F = 15.354，R 2  = 0.288 ， P   < 0.001，图3c）。来源于四季的黄河水的ARGs群落聚集在一起。PERMANOVA和ANOSIM分析也显示在季节之间没有显著差异（表S4）。虽然自来水中四季ARGs群落似乎与河水中观察到的相似，但统计证据显示大多数季节之间存在显著的差异（表S4）。双向方差分析表明， 季节对ARGs的绝对丰度没有影响，而水体类型会影响某些ARGs类型，包括β -内酰胺酶类、万古霉素类和多药类 （表S5）。以上结果表明，黄河水ARGs的丰度比自来水更稳定。研究者还计算了黄河水体中ARGs相对于自来水的富集倍数（图S4），其范围为6 - 31,245。大部分四环素抗性基因发生了高倍变化（57 - 31,245）。
 
图2. 四个季中黄河水和自来水中ARG数量（a）、抗性机制（b）和共有ARGs（c-h）。缩写：Y:黄河水；T：自来水。
 图3. ARGs的丰度和群落随季节变化的情况。（a-b）四个季中黄河和自来水ARGs亚型（a）和类型（b）的绝对丰度随季节变化的情况；（c）四个季中黄河水与自来水中ARGs结构的季节差异。缩写：SY：春天的黄河水；ST：春天的自来水；UY：夏天的黄河水；UT：夏天的自来水；AY：秋天的黄河水；AT：秋天的自来水；WY：冬天的黄河水；WT：冬天的自来水。
 
3 黄河水和自来水中细菌群落和条件致病菌的季节特征  
在40个样本（仅水样）中获得了高质量序列，并将每个样本标准化为27,177条序列，以3%的核酸不相似性进一步聚类为50,212个OTUs。门和属水平上的细菌群落组成如图4a-b所示。在门水平上，变形菌门（平均相对丰度为52%）、放线菌门（26%）和拟杆菌门（16%）是黄河在四季水体中最具优势的3个门。在自来水中，变形菌门（85%）和浮霉菌门（9%）的丰度最高。在河流样本中，ACK- M1属（24%）为优势属，而在自来水中，根瘤菌属_UG1属（33%）和鞘单胞菌属（19%）的丰度最高。我们计算了Alpha多样性（Shannon多样性），观察两种水体的细菌群落多样性（图4c）。 春季至冬季，河流样本的Shannon多样性值一致且显著高于自来水。此外，秋季黄河水的Shannon指数最高，而自来水的Shannon指数最低。
研究还探讨了环境因素、重金属和alpha多样性之间的相关性（表S6）。氮相关因子（NH 4 + -N和NO 2 -N）和碳相关因子（TC、TIC和TOC）均与Shannon多样性指数正相关（ P < 0.05）。 基于Bray-Curtis距离的NMDS图显示了各季节间细菌群落结构和关系的差异 （图4d）。从图中可以清楚地看出黄河水与自来水样品的细菌群落差异显著（F = 24.194，R 2  = 0.389 ， P   < 0.001）。此外，PERMANOVA和ANOSIM分析的结果支持了两种水体的显著季节性变化（表S7）。采用PERMANOVA分析分别探讨河流和自来水中细菌群落的影响因素。两种水均受NO 3 - N、T W 、CON、TDS、盐度和Co等共同驱动因子的影响。反之， 碳相关因子（TC、TIC和TOC）对自来水细菌群落有影响，但对黄河河水没有影响 。
在门（图S5）和属（图S6）的水平上分析了两种水体之间或四季之间的差异。除冬季外，各季节自来水中变形菌门相对丰度均高于黄河中丰度。放线菌在各季节采集的河流样品中富集，而在自来水中不富集。除夏季外，拟杆菌门在各季节的变化趋势与放线菌相同。在属水平上，各季节自来水中根瘤菌目丰度均高于黄河，而ACK-M1则相反。
在文献报道的20种最常见的条件致病菌中（表S2），本研究的水样中占其中的17种（图4e）。值得注意的是，代尔夫特菌属（ Delftia ）（1.78%）、拟杆菌属（ Bacteroides ）（0.55%）、假单胞菌属（ Pseudomonas ）（0.31%）、不动杆菌属（ Acinetobacter ）（0.17%）和气单胞菌属（ Aeromonas ）（0.14%）的致病菌属在黄河流域丰度高，而在自来水中代尔夫特菌属（ Delftia ）（ 5.11% ）、拟杆菌属（ Bacteroides ）（0.32%）和假单胞菌属（ Pseudomonas ）（0.25%）的致病菌属丰度较高。
 图4. 细菌多样性、群落结构和组成的季节性变化。（a-b）在门（a）和属（b）水平上，黄河水和自来水在四季中细菌组成；（c）四季中两种水体Shannon细菌多样性的季节变化。Mann-Whitney U- tests被用来比较两种水体在每个季节的显著差异。显著差异用星号标示。（d）基于Bray-Curtis距离矩阵的两种水体细菌群落的非度量多维标度（NMDS）图。（e）黄河水和自来水中条件致病菌相对丰度的季节变化热图。缩写：SY：春天的黄河水；ST：春天的自来水；UY：夏天的黄河水；UT：夏天的自来水；AY：秋天的黄河水；AT：秋天的自来水；WY：冬天的黄河水；WT：冬天的自来水；Y：黄河水；T：自来水。
 
4 黄河水和自来水ARGs图谱的关键驱动因素及生态组装过程
ARGs群落是由各种因素导致的。为了探究ARGs分布的驱动因素，研究团队比较了环境因素、重金属、季节、水体类型、MGEs和微生物对ARGs群落的影响（表S10）。Shannon多样性对河水的影响最大（R 2  = 0.306 ， P = 0.002 ），其次是PC1 （beta多样性）、 cIntI-1   （ class1 ） 、 intI-1 （临床）和ORP。随后，选取显著的影响因素进行MRM分析。河水因子的MRM分析显示， MGEs （R 2  = 0.336 ， P  = 0.001 ，表S11）是影响ARGs分布的最大驱动因素，其次是微生物（R 2  = 0.200 ， P   = 0.001）。其他因素对ARGs分布没有显著影响。 对自来水ARGs分布影响最大的是季节 （R 2  = 0.226 ，   P = 0.003 ， 表S10），其次是NO 3 - N、CON、TDS、pH、Cd、Co、 cIntI-1   （ class1 ） 、 Cu和 intI-1 （临床）。自来水的MRM分析确定了ARGs分布的关键决定因素也是MGEs （R 2  = 0.240 ， P  = 0.001 ，表S12），但其次是季节（R 2  = 0.213 ， P  = 0.001 ）和环境因素（ R 2  = 0.035 ，   P  = 0.022 ）。总之， MGEs是黄河水和自来水ARGs分布的最重要驱动因素。
采用Null模式来识别随机和确定过程在ARGs群落组装中的相对贡献（图5）。黄河水中ARGs的装配在每个季节中更多地归因于随机过程（> 70%），而确定过程对四季的自来水中ARGs群落的生态组装贡献相对较大。此外， 在各季节中，黄河水ARGs群落组装表现出比自来水更大的随机性 （ P <0.001，单因素方差分析）。
 
图5. 随机性对在四个季中两种水体的ARGs群落组成管理的相对重要性。采用单因素方差分析和Tukey事后检验比较两种水体在每个季节的显著差异。显著差异以星号标示。缩写：SY：春天的黄河水；ST：春天的自来水；UY：夏天的黄河水；UT：夏天的自来水；AY：秋天的黄河水；AT：秋天的自来水；WY：冬天的黄河水；WT：冬天的自来水。
 
5 环境因素、重金属、条件致病菌、MGEs和ARGs之间的共生模式
通过网络分析，可以看到ARGs与生物（条件致病菌和MGEs）和非生物因素（环境因子和重金属）共同发生的模式（图6）。条件致病菌 Aeromonas 和 Pseudomonas 与一些抗性基因存在显著正相关（图6a），这表明它们可能是多种抗性基因的宿主。环境因素、重金属和抗生素抗性组之间的关系如图6b所示。 碳相关因子（TC、TIC和TOC）与一些ARGs的正相关程度高于其他的水理化参数。重金属As也与大多数抗性基因呈正相关。 为了进一步探讨水体理化参数浓度、重金属浓度与总ARGs绝对丰度之间的重要性，研究者通过拟合线性曲线比较了物化因子含量与ARGs绝对丰度（图S7）。金属As与ARGs丰度的正相关系数最高（R 2  = 0.535 ， P < 0.001），其次是TOC（ R 2  = 0.328 ， P < 0.001），TC（R 2  = 0.328 ， P < 0.001）和TIC（R 2  = 0.274 ， P < 0.001）。
经线性回归分析，ARGs总绝对丰度与MGEs之间也存在显著相关性（R 2  = 0.919 ， P   < 0.001，图S8）。此外，采用Bray-Curtis不同相似性矩阵Procrustes试验测定了ARGs群落与细菌群落结构的关系（对于黄河水，M 2  = 0.591 ， P   < 0.001；自来水，M 2  = 0.850 ， P   = 0.213；所有样本 ， M 2  = 0.564 ， P < 0.001）。这些结果表明ARGs与细菌群落之间的关联性较弱。总之，数据表明HGT在ARGs的传播中发挥了关键作用。
 
图6. ARGs，MGEs和条件致病菌（a），环境因素和重金属（b）之间的共发生模式的网络分析。一个连接表示一个强的（Spearman相关系数（ρ）> 0.6）和显著的相关性（ P < 0.01）。
 
6 ARGs和条件致病菌从水源转移到自来水再转移给人类
为了调查可能传递给兰州当地短期和长期居民的ARGs的差异，研究者通过单因素方差分析比较了两组基因的绝对丰度（表S13）。每个ARGs在组间没有显著差异，所以研究者将所有ARGs数据合并在一起进行下面的分析。
黄河水的性质和含量与自来水的性质和含量相似，这为探索抗性组和条件致病菌从水向人体的转移提供了机会。在水源水和自来水样本之间共有49个基因，这表明大多数ARGs可能无法通过饮用水处理有效消除。人类粪便中检出的53个ARGs全部来自自来水和黄河水。 在水和人粪便样本中检测到的ARGs中，48个抗性基因在水和粪便样本中共有，占很大比例 （80%）（图7a）。此外， 这些共有的ARGs包括9种类型：四环素类、β -内酰胺酶类、MLSB类、多药类、万古霉素类、磺酰胺类、氨基糖苷类、氯霉素类和其他类耐药基因 （图7b）。
编码四环素的基因是最常见的ARGs。为了了解ARGs通过饮用水传播给人类的过程，研究者追踪了水样和人类粪便中检测到的ARGs的循环。在图7c中，蓝点代表水和人体肠道样本中的持续性ARGs，它们与共有的48个ARGs相匹配。关于这48个ARGs的更详细的信息，包括它们的类型和亚型，如图7d-e所示。由于水处理过程的原因，自来水中ARGs的绝对丰度远低于河水，但在人类粪便中显著富集。 核心抗性组定义为由80%以上的样本共有的耐药基因 （图S9）。在黄河水体中，共有26个核心ARGs，占总绝对丰度的93.69%（图S9a）。自来水中，只有3个核心抗性基因占ARGs总绝对丰度的21.97%（图S9b）。这些核心ARGs同时存在于水和粪便样本中，表明ARGs从水传播给人类的稳定性和持续性。
14种条件致病菌的传播分布如图8所示。水体和粪便样品中均存在10个致病属（蓝点）（图8a）， 经过饮用水处理后，这些致病菌属的相对丰度降低。 然而，四种潜在致病属，拟杆菌属、梭状芽胞杆菌属、大肠杆菌属和嗜血杆菌属在人类肠道样本中富集。
 
图7. ARGs从黄河水传播到自来水，最后传播到人类。（a）水和人之间共有的ARGs；（b）持续性ARGs类型；（c）检测到的ARGs在水样和人类粪便中的循环。蓝点表示无法通过饮用水处理消除的持续性ARGs。黄点是只在黄河水中存在的ARGs。粉点，除自来水外，在黄河水和人类粪便中存在的ARGs。灰点在两处水域出现，而在人类中消失；（d-e）从水到人类持续性ARGs类型（d）和亚型（e）的绝对丰度的变化。
 
图8. 条件致病菌从黄河传播到自来水，最后传播到人类。 （a）条件致病菌在水和人体内的循环； （b）重复出现的条件致病菌从水到人的相对丰度的动态变化。

讨论

研究探索了ARGs从原始水源到自来水中的饮用水，最后到人类的传播途径，重点关注了水环境中的ARGs对人类的危害。结果表明，黄河水中潜在的有害污染物为ARGs，而不是氮和重金属。饮用水处理过程显然不能完全消除水源中的ARGs。所有在人体中检测到的ARGs也都在饮用水的水源中发现。因此，有必要减少ARGs通过饮用水的传播。本研究结果有助于 为水源水的ARGs管理和通过改进水处理技术消除ARGs提供信息和制定有针对性的战略 。
 
1 黄河水和自来水中细菌和ARGs的季节变化不同
黄河水和自来水在门水平上的细菌组成与前人研究结果相似，而在属水平上则存在差异。这可以解释为黄河不同河段的细菌特征不同，以及不同城市的水处理工厂采用不同的水处理工艺。秋季，黄河水细菌群落的Shannon多样性最高，而自来水群落的alpha多样性最低。 与多样性差异相似，秋季河水中NH 4 + -N浓度最高，自来水中最低。 低铵态氮作为氮源可促进微生物的生长，较高的铵态氮浓度可能是秋季黄河水微生物多样性高于自来水的原因。黄河水与自来水细菌群落结构的差异主要是由于不同水体的营养水平不同造成的。此外，两种水体的细菌群落驱动因子也不同。碳相关因子（TOC、TC和TIC）对自来水细菌群落的影响大于黄河。此外，饮用水处理去除养分可能限制了自来水中的微生物生长，因此自来水中的细菌群落受碳营养物质的影响有限。
研究结果表明， 在黄河水域中，ARGs的绝对丰度在冬季达到峰值 ，研究者推测了解释这一结果的几个原因。首先，寒冷季节的季节性传染病可能会增加人类对抗生素的使用和代谢，从而导致供水中ARGs丰度的增加。一项研究表明， 废水流出中ARGs的季节性模式与抗生素使用的季节性水平有关。 时间序列模型也显示了居民社区抗生素使用（零售处方销售）与患者抗生素耐药性之间的显著相关性，两者均表现出类似的冬季为高峰趋势。这表明， 冬季抗生素使用高峰可能对人类抗生素耐药性有显著影响。 其次，在冬季，适应寒冷环境的水中浮游细菌群落将在低温下生存。在这些群体中，耐冷细菌的细胞膜感知外部环境的低温，一系列的冷响应基因上调，诱导修复任何由冷胁迫引起的损伤。这些上调的基因包括 recA （参与DNA修复和维持的基因）， rpoS （参与转录的基因）等。 rpoS 对细菌冷休克反应的结果已有报道，可能引发SOS反应。抗生素也可以激活细菌细胞的SOS反应，因此，冬季水中残留的抗生素较多，可能会对游离细菌群落的DNA造成更大的破坏。特别是DNA损伤和SOS反应可刺激 recA 的表达。 recA 基因可以使编码霍乱弧菌对多种抗生素耐药的整合结合元件（SXT）的抑制因子失活。因此，SOS反应可以促进抗性基因HGT的频率，这可能是造成黄河冬季ARGs高丰度的原因。此外，对韩国河流和水库的研究也得出结论，寒冷季节是自然环境中ARGs的HGT的驱动因素。这些推测仅仅是基于一种可能的因果关系，因此需要进一步的分子实验来验证它。
相比之下， 饮用水中ARGs的绝对丰度在冬季最低，这可能是当地冬季实施不同的水处理技术的结果。 在冬季采用额外的沉降步骤，而在其他三个季节不采用。据报道，沉淀可以有效去除ARGs。在冬季，额外的沉降步骤也可能导致更多的细菌在此过程中沉淀，从而降低ARGs的丰度。
在黄河水中，四季ARGs的共有比例较高（80%），说明大部分ARGs没有发生变化。NMDS数据还表明， ARGs群落几乎没有季节变化 。因此，黄河ARGs组分具有持久性和稳定性。
尽管黄河水质经过严格的水处理，但ARGs仍难以完全去除。在处理后的黄河自来水中，仍有40%的ARGs是四季共有的。通过对比黄河水与自来水中ARGs的富集倍数（图S4），研究者推测有些类型的ARGs很容易消除，而另一些类型的ARGs则很难消除。这些结果可用于确定某些特定ARGs的去除效率。 自来水中ARGs的去除率与饮用水处理工艺有关。 例如，传统的水处理工艺（混凝沉淀、砂滤、氯胺消毒）可以有效去除四环素抗性基因（ tetM 、 tetO 、 tetQ 、 tetS 、 tetW ），这与本研究结果一致。饮用水处理厂采用的不同技术可以消除不同类型的ARGs。因此，可以联合应用多种水处理技术，更彻底地去除饮用水中的ARGs。
 
2 黄河水中ARGs群落与自来水中ARGs群落具有相同的主导驱动力，但生态组装过程不同  
本研究探讨了季节、水质、重金属、细菌多样性和MGEs对两种水体（原水和饮用水）ARGs分布的影响。不同环境下ARGs受不同驱动因子的影响，驱动因子类型可能与生境有关。结果表明， MGEs是河流和自来水ARGs谱的主要驱动因素 （表S11和表S12）。ARGs总绝对丰度与MGEs正相关，表明水体中HGT含量较高（图S8）。MGEs的绝对丰度（ intI-1 ）排名第一，表明MGEs的广泛流行可能对ARGs的增殖起关键作用。本研究的结果与另一项对淮河及其水库的水的研究结果相似。总之，MGEs可能是本研究中观察到的ARGs广泛分布的原因。
随机/确定生态过程的影响可能受到栖息地的严酷程度的影响。黄河水质比自来水富营养化程度更高，因此各季节黄河水质的随机性更高也就不足为奇了。此外， 自来水经过严格的饮用水处理过程，可能导致水处理厂对细菌种类和ARGs进行生态位选择过滤。 因此，携带这些ARGs的细菌无法忍受如此恶劣的环境，这就是为什么自来水中不受季节影响的确定过程的贡献更高的原因。值得注意的是， 随机过程的相对贡献随季节而变化，在冬季达到最高 。以下原因可以解释这个结果。首先，随机/确定生态过程具有时间依赖性，养分含量的增加可以增强流体生态系统成分的随机性。结果表明，黄河流域潜在营养源TC、TIC和NO 3 -N浓度均在冬季达到峰值，与冬季的随机性峰值相一致。其次， intI-1 （MGEs）的普遍存在和记录的最高丰度表明HGT的广泛和频繁发生，这也代表了高随机性。最后，由于人为污染源，如燃煤废水排放，黄河在冬季可能遭受更严重的污染。这可能是研究者在冬季观察到随机过程对ARGs组装影响最强的主要原因。就自来水而言，影响ARGs组装的随机性在冬季最弱，这可能是由于在冬季水处理过程中应用了额外的沉降步骤。
 
3 环境因素、重金属和ARGs的共生模式
本研究分析了14个环境因子和6种重金属与ARGs的交互作用。水质因子和重金属浓度均达到地表水或饮用水标准要求。尽管近年来，研究人员报道了黄河受到氮和重金属的污染。然而，在黄河兰州段，研究者几乎没有发现化学和重金属污染。这表明， 兰州市严格的饮用水源地管理对控制河水潜在污染起到了非常有效的作用。
在所有环境因素与ARGs的交互作用中，TOC与多种抗生素基因的正相关关系更为明显（图6b）。有机碳被认为是微生物生长的限制因素，也是饮用水处理中过滤生物膜生物量的决定因素。因此， TOC浓度可能是ARGs丰度的间接决定因素。 之前的研究发现，TOC浓度的降低可以增强脱氯自来水中ARGs的多样性和丰度。相比之下，研究者的结果发现TOC水平与ARGs的绝对丰度呈正相关（图S7c）。这种差异可以用脱氯自来水（实验用水）和实际水（自然状态下）的水质不同来解释。此外，TOC的强吸附能力可能会降低ARGs的核酸酶降解，这可能是ARGs与TOC水平正相关的主要原因。由于碳源可以在环境中塑造细菌抗性组，因此需要对它们之间的关系进行进一步的研究，以指导未来从饮用水中去除ARGs的处理策略。
重金属之所以能持续存在，是因为它们不易在自然环境中降解，它们的持久性会对细菌活动和人类健康产生不利影响。幸运的是， 研究者调查的六种重金属的浓度都远远低于污染标准。 然而，研究者不能忽视重金属对ARGs的繁殖产生选择性压力的事实，因为重金属抗性基因经常在携带ARGs的质粒中被发现。Zhao等发现As比Cd对污染水稻土中ARGs的分布具有更强的共选择作用，这与本研究结果一致。在本研究中，与Cd相比，金属As与大多数ARGs的相互作用更频繁（图6b），而且As浓度与ARGs的总绝对丰度密切相关（图S7i）。此外，金属As在ARGs剖面的形成中起重要作用（PERMANOVA，F = 8.114， R 2  = 0.176 ， P   = 0.001）。As在自然水中主要以砷酸盐（As（V））和亚砷酸盐（As（III））的形式存在；它们是可溶的、有毒的、可移动的，而且很难从水中除去。 Cd在水稻土中的溶解度在洪水期间呈下降趋势，在自然水体中的溶解度可能也较低。 因此，As更强的流动性和溶解性可能是其对ARGs的强大影响的一个可能解释。值得注意的是，虽然重金属对黄河和自来水没有造成污染，但仍需要通过监测ARGs的扩散来警惕饮用水安全，考虑其与ARGs的相关性和复杂的相互作用。
 
4 ARGs的潜在危害和具有条件致病性的宿主  
条件致病菌已经在各种水源中发现，例如饮用水分配系统、二次供水系统和冷却塔等。在本研究中，一些条件致病菌如分枝杆菌的丰度在水净化后并没有降低（图4e）。许多研究报道了分支杆菌存在于供水系统的生物膜中。据报告，由于分布和/或当地管道系统的影响，一些自来水系统中分枝杆菌的含量也很高。 饮用水中的分枝杆菌是一个严重的问题，因为一些分枝杆菌物种，特别是禽分枝杆菌，经常感染免疫功能低下的人。 除此之外，军团菌属在历史上也曾在供水系统中盛行。军团菌属的某些种类，如 L. pneumophila 和 L. longbeachae ， 可引起免疫抑制和免疫正常的人肺炎。
如果条件致病菌在水源或自来水中携带ARGs，将对饮用水的生物安全产生重大影响。因此，研究者研究了条件致病菌和ARGs的同时发生的情况。之前的一项研究发现， 在饮用水水源中产气荚膜梭菌和分枝杆菌与ARGs显著相关，因此它们可能是耐药基因的潜在宿主。 与该研究相反，研究者没有观察到分枝杆菌与ARGs呈正相关（图6a）。相反，研究者发现气单胞菌和假单胞菌与某些ARGs具有显著的相关性，这表明它们可能也是携带ARGs的潜在宿主。Hatha等（2005）报道了气单胞菌菌株对土霉素产生了高水平的抗性，这种土霉素抗性表型可以用气单胞菌菌株携带的tetE基因来解释。虽然在本研究中，气单胞菌与 tetA-02 而不是 tetE 呈正相关，但它们仍然值得作为ARGs的潜在宿主。 假单胞菌菌株，如铜绿假单胞菌，也可以导致易感患者的感染。
实际上，仅仅通过物种或属水平上的序列比对来定义条件致病菌是不准确的，准确的方法是研究者需要对这些细菌进行分离培养，并通过生化和分子方法来确定它们的致病性。
 
5 ARGs和条件致病菌从源头到饮用水再到人的潜在传播途径
 
为了理解ARGs从水到人类的传播，研究者比较了存在于水和人类粪便样本中的ARGs（图7）。在48个耐药基因中，80%的基因被检测出来，并在水源水、自来水和人类粪便样本中共有（图7）。这些ARGs在从水源到自来水到人的转移途径中保持稳定。它们不能被饮用水处理过程完全消除，尽管与水源水相比，它们在自来水中的丰度大幅减少。这些稳定的ARGs在研究者人类实验对象的内脏中得到了富集。这一结果预示着公众健康面临巨大的隐患。研究者的数据显示， 水源可能是人类ARGs的潜在贡献者。 在一项关注ARGs传播的类似研究中，他们通过追踪人类之间的ARGs循环、污水处理系统的进水和流出以及污水处理厂下游的水，将人类作为环境中ARGs的贡献者进行了研究。值得注意的是，Zhou等人（2018）的研究调查了人-污水-河流的ARGs转移路径，这与研究者的调查中水源-自来水-人的路径相反。他们的研究重点是人类对环境的ARGs污染，而本研究重点是环境中的ARGs对公众健康的危害。
在一次大规模的调查中，水源水被认为是自来水的细菌种子库，在饮用水处理过程中，细菌贡献的消除可能并不像预期的那么大。因此，由于ARGs对细菌的水平和垂直转移，研究者谨慎地提出，黄河水也可能是兰州自来水抗性基因的种子库。携带潜在有害ARGs的持久性细菌然后通过各种直接/间接途径进入人体肠道，例如食物暴露在处理过的自来水中（例如，用自来水清洗的即食蔬菜和水果）。
主要的HGT途径-即接合，只能通过细胞与细胞的直接物理接触来完成 。尽管这一过程发生的频率很低，但仍不能忽视的是ARGs在人类之间的广泛传播。如果这些ARGs与一些病原体一起转移，将对公共卫生构成巨大威胁。
携带ARGs的条件致病菌应该比致病菌本身受到更多的关注。如上所述，气单胞菌是潜在的ARGs携带者。幸运的是，经水处理后气单胞菌的相对丰度下降，在人体肠道样本中几乎不存在（图8b）。只有拟杆菌属、梭状芽胞杆菌属、大肠杆菌属和嗜血杆菌属在人体肠道中富集。 艰难梭菌是最需关注的细菌，它能导致严重的毒性巨结肠或患者腹泻。 因此，研究者应该对这些条件致病均保持警惕，从源头到自来水的整个过程来监控它们。

结论

在本研究中，研究者探讨了ARGs群落的驱动因素和生态组装。MGEs是黄河水和自来水ARGs群落的主要驱动因子。 随机过程对ARGs群落聚集的贡献更大，尤其是黄河水。 水质因子TOC和重金属As与ARGs呈正相关。追踪ARGs从饮用水源到自来水，最后到人类的传播，发现ARGs可以在水净化过程中存活，而且由于人类消耗自来水，同样的ARGs也可以在人体内脏中发现。虽然它们的ARGs丰度在水处理后降低了，但持续性ARGs仍然在人类肠道中富集。由于一些携带ARGs的条件致病菌仍然可以在饮用水处理中存活，它们可能会威胁人类健康。今后，研究者不仅要监测自来水中ARGs和病原体水平，加强水处理技术，还要严格保护水源不受人为污染。
原文链接：  
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749121018868

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