通过宏基因组分析不同污水处理系统及排放灌溉土壤中抗生素抗性基因的流行情况

出厂水仍然重要的原因

抗生素拯救了无数生命，但使细菌对这些药物产生抗性的微小基因并不会随着冲洗而消失。本研究考察了污水在两种现代处理系统中流动时抗生素抗性基因的命运，以及经过处理的出水在中国干旱地区用于灌溉土壤时发生的变化。研究结果表明，即便是运行良好的厂站，也可能成为抗性基因变化、传播并进入更广泛环境的枢纽。

从下水道到喷灌系统

研究人员考察了乌鲁木齐市两个全规模的污水处理系统，分别称为 HD 和 MD。两者都接纳来自家庭、医院和工业的混合污水，但采用不同的工艺链。一种在吸附—生物氧化步骤后采用厌氧—缺氧—好氧（A2/O）池；另一种则在相同的三区生物处理后配套膜生物反应器（MBR）。在两种情况下，均有单独的再生水厂对部分处理过的水进行深度净化，然后用于灌溉公园、草坪和道路绿化。通过在冬季和夏季对进水、生物处理后水、最终出水以及附近土壤取样，研究团队得以追踪抗性基因在整个路径上的流动。

能抵御多种药物的基因

研究团队利用宏基因组测序——一种读取样品中所有微生物混合 DNA 的方法——编目了 31 类抗生素抗性基因。最为占优的是那些能同时抵御多类药物的基因，其次是对四环素类、大环内酯类和氨基糖苷类耐药的基因，这些药物在临床与兽医用途中都被广泛使用。某些具体的基因亚型，如 msrE、mphE 与 ANT(6)-Ia，在原始污水中尤其常见，并且在处理后仍可检测到。有趣的是，冬夏两季之间抗性类型的总体构成变化不大，不过冬季样本往往含有略多的抗性基因及更广的多样性。

处理有助于减少——但也重塑问题

这些系统中的生物处理池本用于降解有机污染物，但它们也创造了在残留抗生素乃至重金属持续压力下的高密度、富营养的细菌群落。在 HD 系统中，这一阶段实际上增加了抗性基因的总体数量和多样性，使生物池成为基因交换的热点。而在 MD 系统中，生物处理在一定程度上降低了基因总丰度，但两座厂的一些关键基因仍然存活。最终的抛光步骤——比如额外的生物处理、膜处理以及紫外或臭氧消毒——确实降低了出水中的抗性基因总量。然而，该步骤也可能有利于能在这些条件下生存的新基因亚型，使得总数量下降的同时多样性有时上升。

当出水进入土壤会发生什么

为了解再生水灌溉对土地的影响，研究人员比较了不同灌溉史的土壤：再生水厂内部（灌溉频率最高）、附近经常用出水灌溉的绿地，以及从未接受该类水源的对照区域。所有土壤中均检出抗性基因，反映了自然背景和既往人类活动的混合作用。厂区内部土壤（灌溉最频繁）具有最高的基因丰度与多样性。令人意外的是，在这项短期研究中，灌溉公园土壤的总抗性并未显著高于未灌溉土壤。然而，抗性“群落”的组成发生了变化：某些特定基因（例如某些四环素耐药亚型）在灌溉地块中更常见，这表明再生水并不是简单地全面增加所有抗性基因，而更像是将土壤推动向特定的耐药谱系发展。

哪些微生物携带这些基因——以及为何重要

团队还绘制了哪些细菌类群倾向于携带哪些基因的对应关系。常见的污水属群如 Arcobacter、Acinetobacter、Pseudomonas 和 Sphingomonas 与多种抗性基因有较强关联，包括那些能抵御多类药物的基因。在水体和土壤中，一些基因与多种不同的细菌宿主相关，这表明水平基因转移（微生物间 DNA 的交换）是扩散的重要驱动因素。当科学家将抗性基因与测得的抗生素浓度进行比对时，既发现了正相关也发现了负相关。这说明尽管抗生素显然可以选择性地促进耐药微生物，但诸如重金属或一般性污染等其他环境压力也在塑造这些基因的存在与持久性方面发挥作用。

对日常生活意味着什么

对于非专业读者，主要信息是：污水处理厂确实能够减少抗生素抗性基因，但无法将其完全清除。有些处理步骤甚至可能先富集某些基因，然后在后续阶段再将总体数量压低。当处理后的出水用于灌溉公园和其他绿地——这在缺水地区越来越常见时——抗性基因可能在附近土壤中累积，并逐步改变脚下的隐形微生物群落。研究建议，通过改进最终抛光与消毒步骤、密切监测关键抗性基因，以及对经常灌溉的地点给予特别关注，可以在不放弃宝贵的水资源再利用实践的前提下，帮助遏制抗生素抗性在环境中的扩散。

引用: Fang, H., Pu, M., jiang, A. et al. Prevalence of antibiotic resistance gene in different wastewater treatment systems and effluent-irrigated soils through metagenomic analysis. Sci Rep 16, 5167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35758-1

关键词: 抗生素抗性基因, 污水处理, 回用水灌溉, 土壤微生物组, 水资源再利用