抗生素残留带来的微生物耐药性|u优乐官方网站

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本文摘要:抗生素的污染和耐药性是一个问题的两个方面,即抗生素的残留不会诱导耐药菌的自由选择,促进耐药基因的纵向迁移,导致微生物耐药性的传播。这表明了联合国会员国对后抗生素时代预防和治疗抗生素耐药性的行动的共识。

大部分抗生素及其代谢产物在转移到土壤后不久不会再与土壤吸附,在后续的解吸过程中也不需要其生物利用度。我们发现,要解决抗生素污染问题,必须特别注意抗生素残留带来的微生物耐药性。

抗生素的发明和应用是人类医学史上具有里程碑意义的成就。然而,随着抗生素的大量生产、使用甚至造假,抗生素和耐药基因(耐药性)的污染已经成为全球性的环境健康问题。抗生素抗性是指微生物能够耐受抗生素的诱导和死亡而生存和交配。

抗生素的污染和耐药性是一个问题的两个方面,即抗生素的残留不会诱导耐药菌的自由选择,促进耐药基因的纵向迁移,导致微生物耐药性的传播。而负载了抗性基因的微生物在传播到新环境时不会进一步交配,可能通过基因的纵向迁移将抗性基因传递给病原菌,给人类健康带来灾难性的危害。目前除了环境中的背景抗性基因外,主要有人类废气(医院和污水处理厂)、动物养殖和药厂。

世界卫生组织(WHO)在2011年世界卫生日的主题是“抗生素耐药性:如果今天不采取行动,2020-03-10年将不会使用任何药物”。它的数据显示,世界上每年大约有44万新的耐药结核病病例,导致至少15万人死亡。2015年5月,世卫组织发布了一份全球报告,敦促建立抗生素耐药性全球监测系统。

此后,许多国际组织和机构提出了适当和明确的行动计划,以防止抗生素耐药性的传播,如G20。在2016年9月21日联合国大会第71次会议上,联合国会员国接受了抗生素耐药性高级别会议的政治宣言。这表明了联合国会员国对后抗生素时代预防和治疗抗生素耐药性的行动的共识。因此,联合国秘书长宣布正式成立联合国机构间禁毒协调小组(IAGA)。

2016年,为了应对细菌耐药性带来的挑战,提高抗菌药物的科学管理水平,遏制细菌耐药性的发展和蔓延,保障人民健康,促进经济社会协调发展,国家卫生计生委等14个部门率先制定了《遏止细菌耐药国家行动计划(20162020年)》。世界上许多国家生产的抗生素约有一半被用作兽药和饲料添加剂。动物摄入的抗生素大多以原料药或代谢物的形式通过动物粪便和尿液转移到土壤和水中,造成污染,并通过食物链毒害整个生态环境,影响植物、土壤微生物和动物的长期生命活动和功能。

更严重的是,抗生素药物残留不会降低病原菌的耐药性,从而危及人类健康,降低人类疾病的化疗可玩性。大多数抗生素及其代谢物在转移到土壤后不会很快再次与土壤吸附,在随后的解吸过程中也不需要它们的生物利用度。

我们发现,要解决抗生素污染问题,必须特别注意抗生素残留带来的微生物耐药性。以我国众多规模化养殖场周围的土壤为研究对象,利用分子生物学手段积极开展四环素抗性基因污染的研究,发现大量使用抗生素降低规模化养殖场周围土壤中的微生物抗性基因,表明土壤中的抗性基因明显与四环素等抗生素的残留有关。研究结果发表在《环境科学与技术》上,《美国化学学会化学与工程报》对此做了专门的解释,指出这是“我国首次关于农业抗生素和土壤抗性基因的研究成果,为政府制定抗生素使用及后果的政策提供了建议”。

因为d 2007年,我们有幸为国际知名微生物生态学家詹姆斯蒂杰(James Tiedje)申请了中国科学院爱因斯坦教授项目。因此,蒂杰教授于2008年5月初来访,并积极与我们开展学术交流。

通过沟通,我们同意使用高通量定量PCR技术研究环境抗生素抗性基因。经过进一步的改进和优化,我们的高通量定量聚合酶链反应可以同时检测244个抗性基因。对我国3个大型猪场的猪粪、猪粪生产的肥料和施肥后的土壤样品进行了抗性基因分析,共检测到149个抗性基因。

这些抗性基因完全覆盖了目前大部分未知的抗生素类型,甚至一些猪场没有使用的抗生素也检测到了合适的抗性基因(图1)。抗性基因金属含量方面,与未使用抗生素的对照猪粪样品相比,共有63个抗性基因明显富集,中值富集倍数为192,富集倍数后单个抗性基因平均数量为2.8万倍。从猪粪生产的肥料中检测到多种不同类型和抗性机制的抗性基因,最低富集因子平均为5.7万倍。

同时研究还发现,抗性基因的金属含量与环境中抗生素、砷、铜等重金属的浓度是全方位的,明显相关。说明砷、铜等重金属和抗生素的填充污染可以降低环境中抗生素抗性基因的富集。这一成就自在PNAS发表以来,受到了国际同行和公众的广泛关注。

《自然》特别报道并详细辩论了我们的研究成果。许多其他国际媒体,如《纽约时报》、《新科学家》都对此进行了报道。本文选择low作为《科学之网》的论文。

污水和中水回用也是抗性基因传递的主要途径。因此,在一定程度上,我们采用高通量定量聚合酶链反应分析了中国7个代表性城市公园土壤样品中的抗性基因,在所有土壤样品中检测到147个抗性基因。与未用于水草重建的公园对照土壤相比,水草重建的公园土壤样品中共有105种抗性基因显著富集,抗性基因的总富集因子仅次于平均值8655.3倍。

同时在再生水草的公园土壤样品中检测到4个转座酶基因,图1中抗性基因的最低检测数(A)和不同抗性基因的比例(B)平均为2501.3倍。发现抗性基因与转座酶基因的金属含量有明显的关系,并指出转座子可能促进抗性基因的传递。研究表明,再造水草在城市公园土壤中引起了丰富的抗性基因。

除污水和再生水外,污泥作为污水处理系统的副产品,是环境中最重要的抗生素抗性基因库。随着城市的发展,城市污水处理厂每天都会产生大量的剩余污泥。

截至2015年,中国已有多达3500家污水处理厂,每年产生约3500万吨污泥。施肥是指有机废物在微生物的作用下转化为腐殖质的过程,生产的肥料产品可用作土壤改良剂和肥料。抗生素抗性基因在受精过程中是如何变化的,微生物和抗性基因有什么关系?采用高通量荧光定量法研究污泥肥料处理过程中抗生素抗性基因的特征变化,采用16S rRNA基因高通量测序法研究肥料处理过程中微生物群落结构的变化。

结果共发现156种抗生素抗性基因和基因移动元件,抗生素抗性基因多样性和金属元素含量在施肥过程中显著降低。通过对微生物群落结构的分析,发现放线菌数量明显减少,在肥料成熟期占据优势地位。因为放线菌是土壤中抗生素的主要生产者,它们还携带多种抗性基因,所以抗性基因在肥料中的富集 进一步分析发现微生物群落结构与抗性基因结构有明显的相关性,证明施肥过程中微生物群落结构的组成变化是影响抗生素抗性基因变化的主要原因。

这些结果发表在《环境科学与技术》(苏等,2015)上,也是目前科学网的一篇低级论文。通过污泥长期定位试验,研究了污泥施用对农田土壤中抗性基因的影响。结果表明,利用污泥或污泥肥料可以将新的抗性基因导入土壤(陈等,2016)。

本文由国际环境组织发表后,由欧盟环境政策科学协会详细提及和报道。近年来,我们利用这一方法对我国河口湿地的抗生素抗性基因进行了系统研究,揭示了抗性基因与人类活动的密切关系。

该结果发表在2017年初的《自然微生物学》杂志上。我们在国际合作过程中创造的高通量定量PCR技术在环境抗生素抗性基因的研究中发挥了最重要的作用。

在此基础上,我们打造了高通量定量PCR检测研究平台,针对环境中涉及生物地球化学循环、致病菌和粪便细菌的功能基因,开发了具有自律知识产权的高通量芯片,为我们积极开展环境土壤学和环境生物学研究获得了强大的平台。目前,我们的平台也已经成为国际合作的平台。每年,美国、英国、澳大利亚、德国、以色列的科学家都积极与我们开展深入的合作研究。

在抗生素抗性基因研究的基础上,我们解释了人类活性微生物及其负载基因在环境中迁移的影响,明确提出了微生物在全球范围内大规模迁移的模型。本文发表在2017年9月15日的《科学》杂志上。

通过这个研究或者这个科学故事,我们认识到一个创新的研究必须把前沿的科学问题和方法手段结合起来,环境领域的相关研究必须面向现实社会。


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