Nature Commun | 华东师大马黎萍/南京大学张徐祥团队揭示城市水系统中抗生素抗性基因的生态连通性

城市水系统作为污染物传输的重要通道，其各个环节中抗生素抗性基因的赋存状态和扩散规律长期缺乏系统性的直接观测，这阻碍了精准干预策略的制定。2026年8月10日，华东师范大学生态与环境科学学院马黎萍教授和南京大学环境学院张徐祥教授作为共同通讯作者的研究团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表题为“Systematic citywide analysis reveals ecological connectivity of antimicrobial resistance genes across urban water systems”的研究论文。该研究团队沿着一座2600万人口超大城市的水流方向，从污水处理厂、受纳河流、水源水库和居民自来水龙头这四大关键区段采集了系统性的水样，并且结合宏基因组测序与大规模培养组学方法，完整地解析了抗性基因在整个城市水系统中的丰度变化轨迹和跨区段传播规律。

研究团队从全部水样中鉴定出1309个抗生素抗性基因亚型，这些基因能够赋予细菌对25类不同抗生素的抗性能力。抗性基因的相对丰度在四个水体区段之间呈现出鲜明的梯度特征：污水处理厂进水中平均为1.61×10⁰ copies/cell，经过厌氧-缺氧-好氧、氧化沟、膜生物反应器和食物链反应器等不同工艺处理后，平均去除率达到了82.7%，出水中降至2.79×10⁻¹ copies/cell，但处理后的出水排入受纳河流之后，下游河段的抗性基因丰度较上游出现了31.0%的净富集。氯消毒过程虽然将自来水中抗性基因的绝对丰度大幅削减了99.3%，其相对丰度却较水源水升高了41.8%，这源于消毒过程对总微生物数量的削减比例大于对抗性基因的削减比例。抗性基因的多样性同样沿这一路径发生剧烈变化，污水处理使亚型数量减少了45.8%，而受纳河流下游的多样性较上游增加了48.1%，自来水中的多样性又较水源水升高了35.3%，在整个传输过程中持续发生着选择性富集和新生事件。

在抗性基因的宿主识别方面，研究团队从各水样中分离培养了3040株乳糖发酵型肠杆菌科菌株，并且从中鉴定出115个持续存在的抗性基因亚型。通过宏基因组分箱技术，他们重构了583个高质量的细菌基因组，其中38个携带抗性基因的基因组被认定为潜在宿主，这些宿主分属6个细菌门类并以变形菌门为主。这38个宿主基因组中有5个被鉴定为病原菌，当中包括了世界卫生组织重点病原体清单中的铜绿假单胞菌和大肠埃希氏菌，这些病原菌携带的抗性基因数量平均高于非病原宿主，并且在受纳河流下游表现出显著的丰度增加趋势。基因组共定位分析表明抗性基因与可移动遗传元件在病原菌的相关序列片段上频繁共存，研究团队获得了水平基因转移促进抗性基因在致病菌中扩散的直接遗传证据。整合子作为介导水平基因转移的一类关键可移动元件，在该系统中发挥了尤为突出的作用，研究团队利用Nanopore长读长测序技术完整解析了I类整合子携带的抗性基因盒排列结构，发现氯消毒过程使总微生物群落和肠杆菌科菌株中整合子捕获外源抗性基因的能力分别提升了118.3%和38.4%，并且导致携带六个抗性基因的超级整合子在自来水中被检出，受纳河流下游也出现了另一类含有六个基因盒的超级整合子。

在驱动因素的解析上，研究团队构建了偏最小二乘结构方程模型来量化各类因素的贡献大小，模型结果显示可移动遗传元件介导的水平基因转移是整个城市水系统抗性组谱变化的最主要驱动力，其标准化总效应达到了0.73，而抗性基因的细菌宿主则通过促进可移动遗传元件的转移间接影响了抗性组的演变格局。在非生物因素当中，痕量金属（包括镁、铝、锰、铁、铜和锌）和消毒剂（苯扎氯铵和对氯间二甲苯酚）对丰度谱产生了显著的直接影响，水质参数（化学需氧量、总磷和氨氮）和抗生素（磺胺二甲嘧啶和土霉素）同样与抗性基因的分布特征密切关联。基于上述动态规律和驱动机制，研究团队建立了一套包含污水源抗性基因识别、健康危害定量评估和风险等级排序的综合框架，他们从1309个抗性基因中筛选出61个经由污水排放进入受纳水体并最终在自来水中持续存在的污水源基因，再综合丰度、可移动性和病原宿主关联性三项指标构建了多维风险评分体系，最终将fosA、OXA-10和sul1列为最高风险等级，其中fosA基因携带于机会性病原菌铜绿假单胞菌的基因组上并且在自来水中仍保持着1.1 copies/1000 cells的检出水平。

READING

BioPeers