nature communications｜基于101个国家污水基因组解析全球抗菌素耐药性分布特征

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来源：环境抗生素抗性基因

2025-11-04 10:12:58

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核心提示：抗菌素耐药性（AMR）正严重威胁全球公共卫生安全。

抗菌素耐药性（AMR）正严重威胁全球公共卫生安全。阐明单个抗生素抗性基因（ARGs）的起源、演化与传播机制，对制定可持续防控策略具有重要意义。2022年，丹麦技术大学Patrick Munk助理教授团队在nature communications上发表了题目为Genomic analysis of sewage from 101 countries reveals global landscape of antimicrobial resistance的研究成果。通过对2016-2019年间101个国家、243个城市采集的757份污水样本进行宏基因组测序分析，研究发现：抗性组呈现显著地域分布特征，且不同类别的ARGs的分布模式存在差异，这种差异部分源于微生物群落组成的区域差异。49个常见的ARGs的遗传环境呈现高度多样性，多数基因在全球范围内存在多种基因组携带形式，部分以质粒为载体传播。侧翼序列分析进一步揭示了ARGs特有的地理传播限制特征与跨区域传播规律。研究表明，某些特定地理区域存在更高的抗性基因传播风险，需予以重点关注。

数据集与测序结果概要

研究对全球101个国家、243个城市的757份城市污水样本进行宏基因组测序分析，样本平均检测到969个细菌属，其中包含萄球菌属（Staphylococcus）、肠球菌属（Enterococcus）等多种潜在致病菌。在所有样本中共检测到557种抗生素抗性基因（ARGs），其中mph(E)、msr(E)等13种ARGs普遍存在于所有样本。研究发现，细菌属多样性与ARGs多样性呈显著正相关，但属丰富度与ARGs丰富度无显著关联。

抗性组在地理分布上具有时间稳定性

研究发现，抗生素抗性基因（ARGs）丰度在不同地区与大陆间存在差异。其中，撒哈拉以南非洲地区ARGs总体负荷最高，但区域内冈比亚与马达加斯加负荷最低。欧洲和北美地区ARGs负荷较为均质，非洲、中东和南美则呈现明显的区域异质性。

图1 基于污水监测的全球抗性组图谱

抗性组呈现地理分异特征且存在药物类别特异性

层次聚类分析将全球抗性组分为两大聚类群：其中，欧洲、中亚及北美聚类群富集erm(B)等大环内酯类抗生素抗性基因（ARGs），而非洲、中东聚类群则以磺胺类ARGs（如sul1）为主。研究发现，相较于季节因素（1.8%），区域因素对抗性组结构差异影响更大（16.2%）。值得注意的是，不同类别ARGs呈现出独特的地理分布模式。例如，拉丁美洲区域β-内酰胺类ARGs分化为独立的双聚类群。此外，四环素类ARGs按作用机制（外排泵与16S rRNA甲基化酶）明显分组。

图2 细菌组与抗性组的全球区域性特征

图3 不同抗生素类别下抗性组的聚类模式差异

污水样本中常见抗生素抗性基因（ARGs）的质粒携带特征

研究发现，2,102条重叠群通过质粒携带，编码134种ARGs，其中，高频出现的ARGs质粒携带率显著更高。研究表明，不同ARGs呈现特异性携带模式，例如，blaDHA-1和qnrS1始终与质粒相关，而lnu(D)、catQ等ARGs则与质粒完全无关。此外，各主要地理区域ARGs质粒关联频率相近（35-44%），但区域内国家差异显著。

特定区域内抗生素抗性基因（ARGs）的广宿主分布特征

研究发现，变形菌门（Proteobacteria）（如克雷伯菌属（Klebsiella）、埃希菌属（Escherichia））和厚壁菌门（Firmicutes）（如肠球菌属（Enterococcus）、葡萄球菌属（Staphylococcus））是非质粒ARGs的主要宿主。革兰阳性菌中，肠球菌属（Enterococcus）携带的ARGs种类最为丰富，并与革兰阴性菌弯曲菌属（Campylobacter）存在基因交流。值得注意的是，撒哈拉以南非洲地区的特殊生态条件可能促进了ARGs在变形菌门（Proteobacteria）与厚壁菌门（Firmicutes）间的传播。

图4 细菌属间基因共享网络

极少数抗生素抗性基因（ARGs）具有稳定的保守特征与固定的基因连锁结构针对49种最常见的ARGs，研究发现，fosA等基因保持稳定的基因连锁结构，表明其长期稳定的宿主内共进化过程，而qnrS2等基因虽序列高度保守但侧翼变异显著，暗示其频繁的基因组转移与重组过程。值得注意的是，在坦桑尼亚，msr(D)在微小杆菌属（Exiguobacterium）、沙门氏菌属（Salmonella）、肠球菌属（Enterococcus）宿主中序列完全一致，暗示该地区可能存在其传播热点。研究表明，ARGs的传播机制具有基因特异性，其进化路径取决于生物学特性、地理分布与基因组背景，需要针对不同类型ARGs建立差异化传播模型。