李丹怡，王許諾，張廣桔，王增煥，黃 珂

1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所/廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510300

2. 廣州市花都排水有限公司，廣東 廣州 510800

隨著人們對(duì)動(dòng)物食源需求的增加，全球水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，中國(guó)作為世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，其產(chǎn)量約占全球水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的61.62%[1]。在市場(chǎng)的推動(dòng)下，水產(chǎn)養(yǎng)殖模式逐漸向規(guī)模化、集約化發(fā)展，抗生素作為養(yǎng)殖藥物已被普遍用于防治疾病、促進(jìn)生長(zhǎng)和節(jié)省飼料營(yíng)養(yǎng)成分等[2]。然而，水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的大量抗生素 (約80%) 未被水生生物吸收，其與水生生物的排泄物將進(jìn)入水體或沉降聚集于底泥中，是抗生素耐藥性在環(huán)境中傳播擴(kuò)散的重要來源[3]。

20世紀(jì)40年代，抗生素類藥物首次被應(yīng)用于治療人類嚴(yán)重感染疾病，從化學(xué)結(jié)構(gòu)上可將其分為氨基糖苷類、四環(huán)素類、β-內(nèi)酰胺類、喹諾酮類、酰胺醇類、大環(huán)內(nèi)酯類和多肽類等[4]。低濃度抗生素也具有很高的生物活性，在各種環(huán)境介質(zhì)中均能被檢出，即使是低劑量暴露 (納克每升水平) 也會(huì)嚴(yán)重?fù)p害水生生物和人類機(jī)體功能[5]?？股卦谛竽?、水產(chǎn)養(yǎng)殖和醫(yī)藥等領(lǐng)域的長(zhǎng)期濫用導(dǎo)致了環(huán)境介質(zhì)中抗生素抗性基因 (Antibiotic resistant genes, ARGs) 和抗生素耐藥菌 (Antibiotic resistant bacteria, ARB) 的殘留。ARGs作為一種新型環(huán)境污染物[4]，可在環(huán)境中持久殘留，并通過在菌株間遷移傳播加速抗生素耐藥性的擴(kuò)散。當(dāng)ARGs進(jìn)入水庫(kù)或養(yǎng)殖環(huán)境中，現(xiàn)有處理技術(shù)未能將其完全除去[6]，ARGs可通過食物鏈傳遞最終危及人類健康。由于難以完全禁止抗生素的投加使用，如何管控水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中抗生素的使用以有效遏制抗性基因污染仍然任重道遠(yuǎn)。

針對(duì)ARGs的潛在危害性、難以去除等特點(diǎn)，本文對(duì)ARGs的污染現(xiàn)狀、來源、遷移與傳播及影響因素，與抗生素、微生物群落和環(huán)境因素之間的關(guān)聯(lián)特性，潛在風(fēng)險(xiǎn)，管控策略和削減技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)地綜述，并對(duì)今后ARGs的管控對(duì)策和研究方向提出建議，以期為揭示水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的污染機(jī)理、遏制抗生素抗性傳播提供借鑒。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的污染現(xiàn)狀

目前中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)常用的抗生素主要有阿莫西林、恩諾沙星、紅霉素、氟苯尼考、磺胺嘧啶和磺胺甲惡唑等[7]。近年來，抗生素在環(huán)境中的殘留水平不斷提高，如珠江[8]、九龍江[9]和太湖[10]中抗生素的最高質(zhì)量濃度達(dá)到微克每升水平，且中國(guó)南部茅尾海域附近的海水養(yǎng)殖場(chǎng)中檢出14種抗生素 (分屬于磺胺類、氟喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類和氯霉素類)[11]。此外，在沉積物、土壤和許多農(nóng)產(chǎn)品中均檢測(cè)到抗生素殘留[12-13]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO) 發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)7.7%的水產(chǎn)品中抗生素殘留超標(biāo)[14]。與抗生素殘留相比，ARGs由于在環(huán)境中具有持久性、可移動(dòng)性和可傳導(dǎo)性，呈現(xiàn)出更高的生態(tài)毒害效應(yīng)，環(huán)境中ARGs的潛在風(fēng)險(xiǎn)正逐步成為人們關(guān)注的重點(diǎn)[15]。

近年來在養(yǎng)殖水體、底泥、水生生物以及病原體等介質(zhì)中普遍檢出ARGs，包括四環(huán)素類抗性基因 (tetA、tetB、tetC、tetD、tetE和tetG)、喹諾酮類抗性基因 [qnrA、qnrB、qnrS1和aac(6')-Ib-cr]、大環(huán)內(nèi)酯類抗性基因(mphA和erm)、氨基糖苷類抗性基因 [ph、aad和aac(6')-Ib]、氯霉素類抗性基因 (catA2、cml和floR)、β-內(nèi)酰胺類抗性基因 (blaCTX-M和blaTEM) 和磺胺類抗性基因 (sul1、sul2和sul3)等[16-17]。Pereira等[18]在葡萄牙鮭魚養(yǎng)殖場(chǎng)水體和沉積物中均檢測(cè)出高含量的四環(huán)素類抗性基因和氟喹諾酮類抗性基因。Gao等[17]研究也表明在中國(guó)天津水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中四環(huán)素類抗性基因 (tetM、tetL和tetO) 與磺胺類抗性基因 (sul1和sul2) 具有較高豐度。無獨(dú)有偶，Cesare等[19]在意大利鯛魚和石斑魚養(yǎng)殖場(chǎng)沉積物中也發(fā)現(xiàn)了四環(huán)素類抗性基因 (tetM、tetL和tetO) 和磺胺類抗性基因 (sul1和sul2)。由此可見，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中抗性基因污染非常普遍，具有全球性特點(diǎn)，且四環(huán)素類抗性基因和磺胺類抗性基因檢出頻率較高，這兩類基因的環(huán)境毒理效應(yīng)應(yīng)成為水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。除此之外，由于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)交叉使用多種抗生素，水源、養(yǎng)殖生物腸道及其排泄物和生物膜等其他介質(zhì)中也存在不同類型的ARGs [qnrD、floR、cmlA和aac(6')-Ib等] 污染[20-22]。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的來源、遷移與傳播

2.1 ARGs的來源與暴露途徑

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs來源廣泛，主要來源包括細(xì)菌的內(nèi)在抗性和外源輸入。內(nèi)在抗性即細(xì)菌基因組中存在可以產(chǎn)生抗性表型的基因，細(xì)菌通過表達(dá)潛在抗性基因或隨機(jī)突變獲得耐藥性。微生物的內(nèi)在抗性實(shí)際上是為了適應(yīng)自然進(jìn)化，部分ARGs早已存在于自然界，而不是由于抗生素的使用造成的[23]。自然環(huán)境介質(zhì)中微生物產(chǎn)生的抗性基因濃度在環(huán)境中較低，而外源輸入是目前環(huán)境中抗性基因殘留的主要來源[24]。外源輸入是指自然界中存在對(duì)抗生素具有固有耐藥性的細(xì)菌，或攜帶抗生素耐藥性的腸道細(xì)菌隨著人畜糞便的排放進(jìn)入水環(huán)境[25]。腸道細(xì)菌攜帶的遺傳信息可通過橫向轉(zhuǎn)移機(jī)制轉(zhuǎn)移到環(huán)境土著菌中，進(jìn)而將抗生素耐藥性轉(zhuǎn)移到水生生物體內(nèi)[26]。ARGs主要以水、空氣和土壤等環(huán)境介質(zhì)作為儲(chǔ)庫(kù)和遷移擴(kuò)散的媒介，畜禽養(yǎng)殖、污水處理廠出水和醫(yī)院廢水排放，以及堆肥中的固體有機(jī)物殘留等都是ARGs進(jìn)入環(huán)境的主要途徑[27-28]。

多品種集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式極易促進(jìn)傳染病在水生生物中的傳播，抗生素濫用加速抗生素耐藥性的產(chǎn)生，ARGs逐漸進(jìn)入健康的水生生物體內(nèi)，進(jìn)而在體內(nèi)形成抗生素耐藥性模塊[29]。此外，池塘中殘留的抗生素可在水體和沉積物中累積，并對(duì)當(dāng)?shù)丶?xì)菌群落施加抗生素選擇性壓力[30]，土著菌通過染色體隨機(jī)突變或基因水平轉(zhuǎn)移產(chǎn)生抗生素耐藥性，進(jìn)而利用基因交換擴(kuò)散引起池塘及周圍環(huán)境中微生物抗生素耐藥水平的上升[31]。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)越來越被認(rèn)為是ARGs的蓄積庫(kù)，且能有效促進(jìn)ARB的增加[32]，其能夠?yàn)榫幋a細(xì)菌抗性的可移動(dòng)遺傳元件 (Mobile genetic elements, MGEs) 的水平交換提供理想環(huán)境。深入解析水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的來源和暴露途徑，有利于準(zhǔn)確建立關(guān)于ARGs的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及控制治理策略。

2.2 ARGs的遷移與傳播

抗生素耐藥性問題被稱為“21世紀(jì)重大健康安全的挑戰(zhàn)”[33]，ARGs在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的分布、遷移與傳播擴(kuò)大了污染面，并加劇了抗性基因污染的復(fù)雜特性。水體是污染物的重要載體，且ARGs和ARB極易在水環(huán)境中遷移擴(kuò)散，因此水體是抗生素抗性進(jìn)入水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的重要媒介。由于現(xiàn)有技術(shù)難以完全除去污水處理廠和畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中的ARGs和ARB，其會(huì)被排放至受納水體(如河流)中，最終進(jìn)入以河流為水源的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中[34]。

ARGs的主要轉(zhuǎn)移機(jī)制是水平轉(zhuǎn)移 (Horizontal gene transfer, HGT)，僅少數(shù)位于染色體上的ARGs通過垂直擴(kuò)散 (Vertical gene transmission, VGT) 進(jìn)行傳播。ARGs主要復(fù)制機(jī)制是利用水平轉(zhuǎn)移使位于質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子或整合子等MGEs上的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到相關(guān)或不相關(guān)的細(xì)菌菌屬中[35]。在這些MGEs中，整合子在介導(dǎo)抗生素耐藥性轉(zhuǎn)移和傳播上具有極大優(yōu)勢(shì)，它們通過捕獲和整合一個(gè)或多個(gè)基因盒，并將其轉(zhuǎn)化為功能表達(dá)基因，因而迅速獲得多種抗性基因[36]。大多數(shù)可移動(dòng)ARGs能夠利用MGEs通過結(jié)合、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式在養(yǎng)殖水體、生物膜和沉積物的微生物區(qū)系間進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移[37]。垂直擴(kuò)散則主要是通過細(xì)菌增殖分裂來完成，分裂過程中ARGs可作為遺傳物質(zhì)從親代傳遞給子代。ARGs在環(huán)境中可持續(xù)殘留，即使攜帶ARGs的細(xì)胞裂解消亡，其攜帶ARGs的裸露DNA仍可通過水平或垂直擴(kuò)散轉(zhuǎn)移至其他菌株中[38]。攜帶編碼抗性基因菌株的養(yǎng)殖生物經(jīng)排泄后可將ARGs和ARB轉(zhuǎn)移至周圍生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境中，進(jìn)而對(duì)生態(tài)和人類安全構(gòu)成威脅。水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的來源、分布和遷移傳播過程如圖1所示。

圖1 水產(chǎn)環(huán)境中ARGs的來源、遷移與傳播Fig. 1 Source, migration and spread behavior of ARGs in aquaculture environment

2.3 ARGs遷移與傳播的影響因素

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境是一種受人類活動(dòng)影響的半自然環(huán)境，為進(jìn)一步闡釋水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的遷移與傳播規(guī)律，應(yīng)系統(tǒng)研究環(huán)境因素和人類活動(dòng)對(duì)ARGs遷移傳播的影響。影響水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs遷移與傳播的因素主要包括以下3類。

1) 自然環(huán)境影響因素。在堿性或高溶解氧的海洋環(huán)境中，細(xì)菌具有良好的增殖能力，能夠促進(jìn)ARGs在不同屬的細(xì)菌之間進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移[39]。水動(dòng)力條件可能是影響ARGs在水體中遷移和擴(kuò)散的主要因素，當(dāng)處于旱季時(shí)，蒸發(fā)作用引起養(yǎng)殖水體表面積縮小，ARGs富集[40]，且水體中誘導(dǎo)ARGs水平遷移的污染物 (如重金屬、持久性有機(jī)污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)) 濃度也升高[41]。此外，旱季的低溫環(huán)境不利于ARGs衰減，這是由于攜帶ARGs的微生物在低溫條件下更具優(yōu)勢(shì)[42]。

2) 養(yǎng)殖場(chǎng)自身影響因素。養(yǎng)殖模式、養(yǎng)殖周期和微生物群落等差異性均會(huì)影響ARGs的分布與遷移情況。據(jù)Wu等[43]報(bào)道，不同海水養(yǎng)殖區(qū)測(cè)得的ARGs含量存在顯著差異，而且從飼養(yǎng)期到收獲期，魚類體內(nèi)ARGs總含量顯著增加 (P＜0.01)。Su等[44]研究發(fā)現(xiàn)，成蝦腸道內(nèi)ARGs濃度是幼蝦的2.45～3.92倍 (P＜0.05)，且成蝦腸道內(nèi)微生物豐度變化更顯著。此外，家禽糞便中存在的MGEs可能會(huì)加速ARGs的水平遷移[45]，I型整合子 (intI) 介導(dǎo)的ARGs遷移轉(zhuǎn)化是養(yǎng)殖環(huán)境中抗性基因污染的重要途徑。Zhou等[46]研究指出，在魚、鴨混養(yǎng)池塘中，鴨糞會(huì)攜帶ARGs (AmpC β-內(nèi)酰胺酶基因) 進(jìn)入魚塘，arsB和arsC均與I型整合子整合酶基因 (intI1) 呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系 (P＜0.05)，ARGs具有遷移轉(zhuǎn)化潛力。

3) 養(yǎng)殖場(chǎng)周邊其他人為活動(dòng)影響因素。與養(yǎng)殖場(chǎng)相鄰的工業(yè)區(qū)排出的廢水中重金屬對(duì)抗生素具有協(xié)同選擇效應(yīng)，能夠促進(jìn)抗生素抗性的傳播，同時(shí)使ARGs的豐度維持在較高水平[47-48]。重金屬不僅對(duì)ARGs的遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生協(xié)同作用，還極易導(dǎo)致菌株產(chǎn)生多重抗藥性[49]。Zhou等[46]研究揭示了頭孢噻肟抗生素在重金屬砷的協(xié)同作用下能夠加劇ARGs的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)程。此外，城市化程度也會(huì)引起ARGs的分布差異，如sul1基因的豐度與城市化程度具有顯著相關(guān)性[50]。

綜上，影響ARGs遷移與傳播的因素十分復(fù)雜。隨著全球?qū)股啬退幮詡鞑サ膿?dān)憂日益加劇[51]，很有必要開發(fā)先進(jìn)的分析模型以加深對(duì)ARGs傳播機(jī)理的研究。其中，數(shù)學(xué)模型在揭示ARGs傳播規(guī)律方面的應(yīng)用日益廣泛，如可以利用數(shù)學(xué)建模定量評(píng)估ARGs的遷移傳播行為，其中建模須考慮ARGs復(fù)制、水平轉(zhuǎn)移的傳播動(dòng)力學(xué)以及自然衰減機(jī)制 (水解、光解和ARGs沉積等)?；诖?，已有研究利用數(shù)學(xué)建模來評(píng)估耐藥細(xì)菌在環(huán)境中傳播的影響因子[52]。

3 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs與抗生素、微生物群落和環(huán)境因素之間的關(guān)聯(lián)特性

抗生素濫用現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，其誘導(dǎo)產(chǎn)生的ARGs具有普遍存在、持續(xù)殘留和可遷移轉(zhuǎn)化等特點(diǎn)，攜帶ARGs的微生物能夠隨著水體、水生生物的活動(dòng)等迅速擴(kuò)散到周圍環(huán)境，而ARGs在遷移傳播過程容易受到外界環(huán)境因素的干擾。因此，很有必要開展ARGs與抗生素、微生物群落和環(huán)境因素之間的關(guān)聯(lián)性分析，為進(jìn)一步闡明ARGs在環(huán)境介質(zhì)中的遷移、傳播和歸趨等行為提供依據(jù)。

3.1 ARGs與抗生素之間的關(guān)聯(lián)特性

現(xiàn)階段，關(guān)于抗生素的使用歷史和ARGs的產(chǎn)生之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制仍未明確。研究表明，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中高濃度ARGs (如tetB和tetD) 可能與四環(huán)素類抗生素的頻繁使用有關(guān)[53]。Zhou等[46]指出，環(huán)境因素壓力增加 (即頭孢噻肟濃度上升) 會(huì)導(dǎo)致ARGs含量升高，同時(shí)頭孢噻肟會(huì)改變水體和生物膜中ARGs、微生物群落的分布?？梢?，抗生素在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的分散性將促進(jìn)ARGs的產(chǎn)生。然而，Zhao等[54]研究揭示了抗生素和ARGs的存在及其不一致的相關(guān)性。與此同時(shí)，Zhang等[55]研究也表明，長(zhǎng)江 (江蘇段) 中磺胺類抗生素和sul類基因之間無顯著相關(guān)性，且喹諾酮抗性基因 (qnrC/16S-rRNA) 豐度與恩諾沙星濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此可見，較高的抗性基因豐度可能與抗生素的選擇性壓力相關(guān)，但并非所有抗生素的使用都能引起相應(yīng)ARGs豐度的增加，抗生素的使用歷史和ARGs的產(chǎn)生之間的相關(guān)性未達(dá)成一致觀點(diǎn)，需要進(jìn)一步開展研究。

3.2 ARGs與微生物群落之間的關(guān)聯(lián)特性

微生物群落主要通過MGEs的轉(zhuǎn)移獲得抗性基因，其介導(dǎo)行為對(duì)ARGs的分布、遷移與轉(zhuǎn)化起到了重要作用[44]，微生物群落與ARGs之間可能存在顯著相關(guān)性。在大型湖泊養(yǎng)殖系統(tǒng)中，變形菌門和擬桿菌門被鑒定為ARGs的潛在優(yōu)勢(shì)宿主[56]，且變形菌門屬于ARB的優(yōu)勢(shì)菌門，類似結(jié)果在其他環(huán)境介質(zhì) (城市河流[57]、淡水[58]或飲用水[59]等) 中均得到了驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)分析方法可以為闡明復(fù)雜環(huán)境中ARGs與其潛在宿主之間的關(guān)系提供新視角。Wu等[43]利用網(wǎng)絡(luò)分析方法揭示了假交替單胞菌 (Pseudoalteromonassp.) 與sul2之間存在正相關(guān)關(guān)系，假交替單胞菌可能是sul類基因的宿主。此外，Su等[44]研究發(fā)現(xiàn)，蝦腸道內(nèi)的變形菌門與sul1、qnrD，厚壁菌門與floR、sul2，疣菌門與floR、sul2之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，優(yōu)勢(shì)菌門的差異是導(dǎo)致蝦腸道內(nèi)ARGs豐度升高的主要原因?；【呛ＫB(yǎng)殖環(huán)境中常見的細(xì)菌種群，由于其在沿海水域的豐富性和多樣性，一直被視為抗生素耐藥性的儲(chǔ)庫(kù)。在屬水平上，弧菌是海洋環(huán)境中最占優(yōu)勢(shì)的ARB[60]。綜上，ARGs與微生物群落之間相關(guān)性顯著，擁有基因水平轉(zhuǎn)移內(nèi)在機(jī)制的微生物類群可能是ARGs的潛在優(yōu)勢(shì)宿主。

3.3 ARGs與環(huán)境因素之間的關(guān)聯(lián)特性

目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖中ARGs與環(huán)境因素之間相關(guān)性的系統(tǒng)研究尚很缺乏[56]。與其他環(huán)境因素相比，鹽度對(duì)ARB和ARGs的影響最為顯著，鹽度與弧菌的豐度呈正相關(guān)關(guān)系[43]，而與大多數(shù)ARGs呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，例如sul類基因豐度的降低與河口鹽度的顯著增加有關(guān)[61]。對(duì)東江流域水質(zhì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)[62]，ARGs的豐度與流域水體的總磷、總氮、總有機(jī)碳以及銅 (Cu)、鋅 (Zn) 濃度呈現(xiàn)一定相關(guān)性。在梅斯基塔爾河谷的土壤中，長(zhǎng)期污水灌溉導(dǎo)致ARGs、硫 (S) 和磷 (P) 濃度升高，且硫和磷的濃度與抗生素耐藥性水平呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[63]。除此之外，氧含量、光照和溫度等因素均會(huì)影響環(huán)境中殘留ARGs的降解過程，例如在厭氧或光照條件下，ARGs豐度顯著下降，且高溫能夠加速部分大環(huán)內(nèi)酯類抗性基因和磺胺類抗性基因的降解[64]。在開放性環(huán)境中，ARGs的分布、遷移與傳播機(jī)制會(huì)受到多種因素的干擾，環(huán)境因素是否適宜是決定ARGs能否進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移的重要條件。

抗生素的選擇性壓力、微生物群落的介導(dǎo)作用以及環(huán)境因素干擾等被認(rèn)為是促進(jìn)ARGs不斷擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化的主要因素[65-66]，其中微生物群落的改變對(duì)ARGs的影響最顯著[67]。殘留抗生素通過影響原生生物區(qū)系和對(duì)環(huán)境微生物施加選擇性壓力來干擾微生物系統(tǒng)，且環(huán)境因素 (水溫、營(yíng)養(yǎng)成分和溶解氧等) 能夠改變微生物群落特征，進(jìn)而影響ARGs的豐度和遷移傳播行為[67-68]。ARGs與抗生素、微生物群落和環(huán)境因素之間的關(guān)聯(lián)特性見圖2。系統(tǒng)研究ARGs與抗生素、微生物群落和環(huán)境因素之間的關(guān)聯(lián)特性已成為揭示ARGs在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中分布特征和轉(zhuǎn)歸規(guī)律的重點(diǎn)問題，對(duì)該科學(xué)問題的深入認(rèn)識(shí)將有助于提出ARGs減控的有效策略。

圖2 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs與抗生素、微生物群落和環(huán)境因素之間的關(guān)聯(lián)特性Fig. 2 Correlations between ARGs and antibiotics, microbial communities and environmental factors in aquaculture environment

4 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中抗生素、ARGs和ARB對(duì)生態(tài)環(huán)境與人類健康的影響

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的來源、遷移與傳播行為決定了抗性基因污染現(xiàn)狀的復(fù)雜性，而ARGs與抗生素、微生物群落和環(huán)境因素之間的關(guān)聯(lián)特性影響著其分布特征、遷移與傳播規(guī)律。ARGs的潛在污染極易對(duì)生態(tài)與人類安全造成長(zhǎng)期、不可逆的危害，特別是多重耐藥性菌株的出現(xiàn)會(huì)削弱各種疾病的治療效果，這已然成為一項(xiàng)重大的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)[69]。

4.1 抗生素、ARGs對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響

當(dāng)抗生素進(jìn)入水生環(huán)境，可能對(duì)野生非目標(biāo)物種 (藻類和細(xì)菌) 產(chǎn)生毒性效應(yīng)，危害動(dòng)物早期發(fā)育過程，并通過細(xì)菌毒害作用破壞浮游動(dòng)植物的多樣性，而且影響浮游植物葉綠素的產(chǎn)生[70]。藻類是食物鏈的基礎(chǔ)，藻類數(shù)量的微小變化都會(huì)影響水生系統(tǒng)的平衡，與水蚤和魚類相比，藻類對(duì)抗生素 (如四環(huán)素類) 更加敏感[71-72]?？股氐臍埩暨€會(huì)導(dǎo)致水生生物的生長(zhǎng)障礙和免疫抑制，引起腸道微生物群落的改變[73]。如前所述，這些改變反過來會(huì)在生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)層級(jí)上產(chǎn)生負(fù)面影響，引起食物鏈變化，極易導(dǎo)致生態(tài)失衡。環(huán)境中抗生素的殘留還會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生潛在影響，抗生素通過殺死或抑制微生物的生長(zhǎng)進(jìn)而打破生態(tài)系統(tǒng)中微生物之間的平衡，例如利用被抗生素殘留污染的廢水灌溉農(nóng)田會(huì)導(dǎo)致重要固氮菌群的消亡[74]。此外，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中殘留的抗生素不僅直接影響到水產(chǎn)品質(zhì)量，還可被野生魚類攝入從而威脅捕撈漁業(yè)產(chǎn)品的安全。人類食用抗生素殘留物的后果包括藥物不良反應(yīng)和臨床重要病原菌耐藥性的發(fā)展，例如青霉素G、四環(huán)素類和磺胺類藥物的抗原性可能引起消費(fèi)者過敏反應(yīng)，且殘留在人體中的藥物積累將導(dǎo)致“慢性毒性”，極易損傷器官[75]。

ARGs已廣泛分布于多種水體介質(zhì)中，如地表淡水[76]、城市河流[77]和沿海地帶[78]，水生環(huán)境中潛在的ARGs可通過質(zhì)粒介導(dǎo)的整合子轉(zhuǎn)移到非致病菌中[79]。在自然環(huán)境中，ARGs從非致病菌到病原體的傳播可能比抗生素本身能產(chǎn)生更大的生態(tài)毒理效應(yīng)[80]?？股乜剐曰蛞驯皇澜缧l(wèi)生組織 (Word Health Organization, WHO) 確定為21世紀(jì)威脅人類健康的最重大挑戰(zhàn)之一[81]。長(zhǎng)時(shí)間低水平接觸抗生素會(huì)誘導(dǎo)魚類腸道細(xì)菌產(chǎn)生抗生素耐藥性，ARGs通過結(jié)合作用能夠轉(zhuǎn)移至人類病原體內(nèi)[82]。攜帶ARGs的人畜共患病病原體 [如氣單胞菌屬 (Aeromonas)] 既能夠?qū)?dòng)物宿主造成感染，又可以通過直接接觸水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施或通過食源性感染間接傳遞給人類[83]。此外，人類腸道和皮膚的微生物群可通過ARGs的遷移傳播污染水生環(huán)境[84]，而水體的自然稀釋和降解作用均無法消除ARGs[85]。

4.2 ARB對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響

當(dāng)環(huán)境中抗生素的濃度超過特定閾值，便會(huì)產(chǎn)生選擇性壓力以促進(jìn)ARB的產(chǎn)生與擴(kuò)散[86]。雖然部分ARB本身不具備致病性，但其可通過將耐藥基因轉(zhuǎn)移到病原體中[87]，從而降低抗生素對(duì)病原體引起的疾病的治療有效性。利用人或動(dòng)物糞便作為魚塘肥料是一種資源化、高效的養(yǎng)殖模式，但是通過糞-口途徑傳播的腸道病原體、ARB以及通過魚類傳播的人畜共患吸蟲已被確認(rèn)為是亞洲廢棄物喂養(yǎng)-水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的潛在健康隱患[88]。Trang等[89]指出，接觸廢棄物喂養(yǎng)-水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的工人患腹瀉、皮膚病和肝吸蟲感染的風(fēng)險(xiǎn)提高，而當(dāng)水體或魚類中存在ARB時(shí)，患病風(fēng)險(xiǎn)可能加劇。

現(xiàn)階段仍缺乏關(guān)于水產(chǎn)養(yǎng)殖中ARB潛在的公共健康影響的綜合性研究報(bào)告，而且ARGs與ARB的劑量響應(yīng)曲線和暴露評(píng)估方法的依據(jù)還未形成，微生物定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(Quantitative microbial risk assessment, QMRA) 被認(rèn)為是一種適合評(píng)價(jià)和量化人類健康風(fēng)險(xiǎn)的方法[90]。通過采用熒光定量PCR、下一代測(cè)序分析結(jié)合水質(zhì)理化參數(shù)檢測(cè)等方法研究魚塘水體污染源、病原體、ARB和其他微生物群落，能夠鑒定其與水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)相關(guān)的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)[91]。

5 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的控制策略與去除技術(shù)

為了有效消除ARGs遷移傳播引起的基因污染隱患，亟需開展ARGs的控制策略研究，全程管控源頭預(yù)防至末端治理環(huán)節(jié)，并針對(duì)性選用有效削減ARGs污染的處理技術(shù)，達(dá)到雙管齊下的效果。

5.1 控制策略

實(shí)際上，減少和優(yōu)化水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中抗生素的使用是從源頭上抑制動(dòng)物源性ARGs產(chǎn)生與傳播的最直接方法。丹麥曾在動(dòng)物工業(yè)中停止使用非治療性抗生素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1～2年內(nèi)，動(dòng)物和肉制品中的ARGs與ARB含量顯著降低[92]。耐藥性的產(chǎn)生通常與細(xì)菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)度降低有關(guān)，減少抗生素使用，將有助于適應(yīng)性較強(qiáng)的易感菌淘汰耐藥菌[93]。其次，尋找抗生素替代品，如其他添加劑 (植物源性產(chǎn)品、益生菌和益生元等)，將有助于改善動(dòng)物健康狀況和降低食品中食源性致病菌的風(fēng)險(xiǎn)[94]?？咕膽{借其有效的抗生素功效和較弱的耐藥性誘導(dǎo)能力，被認(rèn)為是抗生素的有效替代品[95]。此外，提供良好的漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境衛(wèi)生、持續(xù)監(jiān)控水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)的規(guī)范性和嚴(yán)格管制養(yǎng)殖尾水的達(dá)標(biāo)排放對(duì)于阻斷抗生素耐藥性的傳播途徑至關(guān)重要。制定關(guān)于抗生素、ARGs和ARB監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化方法，并建立全球共享數(shù)據(jù)庫(kù)，其中數(shù)據(jù)庫(kù)囊括全球關(guān)于抗生素的使用情況，ARGs的污染現(xiàn)狀、傳播機(jī)制和潛在風(fēng)險(xiǎn)，以及應(yīng)對(duì)ARGs威脅的措施等信息。至于末端治理，通過謹(jǐn)慎處理養(yǎng)殖尾水和廢棄物可減少抗生素和ARGs釋放到環(huán)境中。當(dāng)環(huán)境中抗生素驅(qū)動(dòng)的選擇性降低時(shí)，ARGs在不同生態(tài)位中的遷移和增殖均被遏制。

5.2 去除技術(shù)

有效處理養(yǎng)殖尾水是控制ARGs遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，處理技術(shù)的差異很大程度上會(huì)影響ARGs的歸趨?，F(xiàn)有對(duì)ARGs的去除方法包括物理法、化學(xué)法和生物法等。關(guān)于ARGs的去除技術(shù)及效果見表1。

表1 現(xiàn)有技術(shù)對(duì)ARGs的去除效果Table 1 Reduction efficiency of ARGs by existing technologies

物理法主要包括吸附、混凝、過濾、沉淀和紫外消毒等技術(shù)，具有成本低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，可作為后續(xù)生化處理的預(yù)處理。常用的吸附劑種類有活性炭、生物炭和火山渣等，吸附處理未能使抗生素或ARGs失效，后續(xù)還需對(duì)其進(jìn)行降解和處理、解析吸附劑。投加混凝劑 (聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺等) 可使水體中游離的ARB與懸浮物、膠體物質(zhì)和溶解性有機(jī)物凝聚成大分子物質(zhì)，經(jīng)沉淀或過濾處理后抗性菌株及其攜帶的ARGs均被去除。此外，UV能夠直接被DNA吸收，從而破壞ARGs結(jié)構(gòu)，UV消毒在合適劑量下既不會(huì)生成消毒副產(chǎn)物 (DBPs)，也不存在殘留物。據(jù)Guo等[96]報(bào)道，當(dāng)UV劑量為5 mJ·cm-2時(shí)，UV消毒能夠有效去除水中紅霉素類抗性基因和四環(huán)素類抗性基因。

化學(xué)法主要包括臭氧氧化、光催化氧化，芬頓氧化和氯消毒等技術(shù)。高級(jí)氧化法 (AOPs) 在去除抗生素和ARGs方面具有很大優(yōu)勢(shì)，如優(yōu)異的去除效能和良好的環(huán)境相容性等，可提高漁業(yè)養(yǎng)殖用水的衛(wèi)生安全性。AOPs涉及原位生成高活性自由基，如羥基或硫酸根，能夠去除大量有機(jī)化學(xué)品和生物制劑。其中，電氧化法可以同步除去致病細(xì)菌、抗生素和ARGs[97]。Hou等[98]應(yīng)用上下流厭氧污泥床 (UASB)，缺氧-好氧池 (A/O) 結(jié)合4個(gè)獨(dú)立的AOPs系統(tǒng) (UV、臭氧、芬頓和芬頓/UV) 處理實(shí)際藥物廢水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)能夠同時(shí)高效去除18種抗生素和10種ARGs。

生物法主要有傳統(tǒng)的生物處理工藝、氧化塘和人工濕地處理等。生物處理具有經(jīng)濟(jì)性和可重復(fù)利用性，但經(jīng)生物處理后形成的抗生素降解中間產(chǎn)物可能存在毒性增強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)活性污泥法難以去除養(yǎng)殖尾水中的抗生素 [例如磺胺甲惡唑(SMX)、四環(huán)素和文拉法辛等][99]，而且污泥作為ARGs的蓄積庫(kù)，能夠加劇ARGs的水平轉(zhuǎn)移。近年來，移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)系統(tǒng)已被證實(shí)是處理含抗生素廢水的有效技術(shù)[99]。Marti等[58]通過向MBBR中添加無色桿菌JL9(Achromobacter JL9) 以強(qiáng)化對(duì)養(yǎng)殖尾水中SMX的生物降解 (80.49%)。然而，MBBR中生物量較高，可能存在ARGs水平轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)，仍需探尋高效去除ARGs的耦合新工藝，比如組合AOPs技術(shù) [H2O2/紫外線C波段輻照(UV-C)，催化活化過一硫酸鹽 (PMS)/UV-C和PMS/Fe(II)/UV-C等]對(duì)ARGs進(jìn)行深度處理[100]。

6 總結(jié)與展望

目前水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中抗生素濫用形勢(shì)依舊嚴(yán)峻[107]，不僅加劇了ARGs水平轉(zhuǎn)移的連鎖傳遞，而且導(dǎo)致抗性菌株的豐度和抗性強(qiáng)度不斷增加，抗性基因的生態(tài)污染和毒性效應(yīng)持續(xù)惡化。如何在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中合理使用抗生素、消除抗生素耐藥性和阻斷其傳播途徑已成為人們關(guān)注的世界性難題。鑒于此，未來可從3個(gè)方面進(jìn)一步開展ARGs研究：

1) 從整體角度來研究抗生素耐藥性，即研究重點(diǎn)需囊括人類、動(dòng)植物以及各種環(huán)境單元 (水、土壤和空氣等) 介質(zhì)，持續(xù)監(jiān)測(cè)并借助數(shù)學(xué)建模研究ARGs的來源、分布和遷移傳播機(jī)制，并建立關(guān)于ARGs的生態(tài)毒理效應(yīng)評(píng)價(jià)體系和環(huán)境安全基準(zhǔn)體系，為今后控制ARGs污染和提高水產(chǎn)品安全性提供借鑒。

2) 采取新的多元化替代性治療策略以抑制抗生素耐藥性的發(fā)展，如使用化學(xué)抑制劑 (包括酶抑制劑、外排泵抑制劑、細(xì)菌生物膜形成抑制劑和其他多重耐藥機(jī)制靶向分子等) 作為抗生素耐藥性感染的附加治療。同時(shí)深入研究并明確影響耐藥性傳遞的主要菌株，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性滅活以阻斷抗性基因的傳遞，養(yǎng)殖過程中應(yīng)減少與重金屬、微塑料等污染物接觸，避免在共選作用下ARB向多重耐藥菌發(fā)展。

3) 改進(jìn)ARGs的檢測(cè)方法，如采用第三代基因測(cè)序技術(shù) (PacBio) 以獲得更長(zhǎng)的DNA序列，從而更精確地識(shí)別ARGs及其相鄰基因，為研究MGEs和攜帶ARGs的細(xì)菌宿主提供有利信息。此外，針對(duì)ARGs遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行安全調(diào)控，并開發(fā)有效去除ARGs和抗性菌株的關(guān)鍵技術(shù)和集成工藝，以期進(jìn)一步提高ARGs的去除效能。