利用产超广谱β-内酰胺酶的大肠杆菌作为指示菌，追踪水环境中抗生素抗性的时空分布和传播

摘要:

本研究旨在通过使用产超广谱β-内酰胺酶(ESBL)的大肠杆菌(E. coli)作为指示细菌，追踪水环境中抗生素抗性的时空分布和传播。研究在城市污水处理厂(WWTP)的不同功能区域及连接河流进行了为期一年的监测，以研究ARB在水环境中的传播模式。结果显示，尽管脱水过程可以显著去除ESBL-Ec菌株，但在WWTP的排放样本中仍然检测到ESBL-Ec。ESBL-Ec的检测率在不同季节有显著差异，并且与环境温度呈负相关。研究还发现河流系统中有较高比例的ESBL-Ec菌株，这强调了水环境中ESBL-Ec的高比例是一个令人担忧的问题，因为它对公共卫生构成重大威胁。通过脉冲场凝胶电泳分析观察到基于时空尺度的WWTP和河流之间ESBL-Ec菌株的克隆传播，选择了ST38和ST69 ESBL-Ec克隆作为水环境中抗生素抗性监测的优先菌株。进一步的系统发育分析显示，与人类相关的(粪便、血液)E. coli是水环境中抗生素抗性存在的主要来源。

研究背景：

污水处理厂(WWTPs)在人类、动物和环境废水的汇聚中，对抗生素抗性细菌(ARB)和抗生素抗性基因(ARGs)的产生和传播起着重要作用。WWTPs的存在和命运与人类公共卫生密切相关。以往的研究表明，不同的处理工艺如机械处理、生物处理、紫外线(UV)消毒、氯消毒、生物活性炭(BAC)和化学氧化对WWTPs中ARB和ARGs的去除效果不同。到目前为止，废水处理过程对ARB和ARGs的最终去除一直存在争议。

实验结果：

1. ESBL-Ec在污水处理厂和河流中的分布

污水处理厂中的分布：研究从污水处理厂的不同功能区域（包括进水、厌氧池、好氧池、活性污泥池、污泥浓缩池、出水和泥饼储存区）共分离出219株ESBL-Ec。结果显示，脱水处理过程能显著降低ESBL-Ec的检出率，但出水中仍有37.0%的样本检测到ESBL-Ec。

河流中的分布：在河流系统中检测到的ESBL-Ec菌株数量较高（29/187，15.5%），表明河流中存在较高的ESBL-Ec污染。

2. 季节和气象因素对ESBL-Ec分布的影响

季节差异：ESBL-Ec的检出率在不同季节有显著差异，春季和冬季检出率较高，夏季最低。这可能与温度和湿度有关。

温度和湿度的影响：环境温度与ESBL-Ec的检出率呈负相关，而湿度增加则降低了ESBL-Ec的检出率。

3. ESBL-Ec的抗生素抗性特征

抗性谱：从污水处理厂分离的219株ESBL-Ec对多种抗生素表现出抗性，包括氨苄西林、头孢他啶和甲氧西林-磺胺甲噁唑。几乎所有的菌株对亚胺培南、阿米卡星和美罗培南、多粘菌素B和替加环素敏感。

河流中的抗性特征：从河流系统中分离的29株ESBL-Ec也表现出类似的抗性特征，但对所有测试的抗生素都敏感。

4. ESBL-Ec的基因分型和来源分析

脉冲场凝胶电泳（PFGE）分析：通过PFGE分析，发现污水处理厂进水、出水和河流中的ESBL-Ec具有高度的遗传多样性。某些PFGE类型（如G型）在污水处理厂和河流样本中频繁出现，表明这些类型可能在环境中持续存在。

全基因组测序（WGS）分析：对21株代表性ESBL-Ec菌株进行全基因组测序，发现这些菌株具有多样的分子特征，包括14种不同的序列型（ST），其中ST38和ST69是最常见的类型。这些菌株携带多种抗生素抗性基因（ARGs）和毒力因子。

来源分析：通过与全球数据库中的ESBL-Ec菌株进行比较，发现人类相关的E. coli（来自粪便和血液）是水环境中抗生素抗性的主要来源。特别是ST38和ST69菌株在全球范围内与临床样本高度相似，表明这些菌株可能具有临床来源，并在国际上传播。

主要结论：

在WWTP和河流样本中检测到高比例的ESBL-Ec，这表明水环境中ESBL-Ec的高比例是一个令人担忧的问题，因为它对公共卫生构成重大威胁。

基于时空尺度观察到WWTP和河流之间ESBL-Ec菌株的克隆传播。

基于全基因组测序的系统发育分析显示，与人类相关的(粪便、血液)E. coli是水环境中抗生素抗性存在的主要来源。

迫切需要对WWTP中的ESBL-Ec进行纵向和针对性监测，并在WWTP排放前开发有效的废水消毒策略，以防止和控制环境中抗生素抗性的传播

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118534