图1    论文截图

污水处理厂是抗性基因的汇聚地和中转站

    抗生素是由微生物分泌的能够抑制或杀死其他微生物的一类化学物质，在临床上广泛用于治疗细菌感染性疾病。然而，由于抗生素的广泛使用甚至滥用（例如：养殖业），导致部分致病细菌获得了耐药性，能够在抗生素存在的情况下继续生长和繁殖，使得原本通过抗生素治疗可以治愈的疾病重新成为了“无药可医”的难题。

    目前，全球抗生素耐药性问题已十分严重，是全球公共卫生安全面临的一项严峻挑战，抗生素的环境污染与生态毒性近年来也引起了日益广泛的关注。细菌的抗生素耐药性通常由基因编码，相关基因称为抗生素抗性基因（ARG，antibiotic resistance gene）。

    生活污水、预处理后的医院污水、抗生素制药厂废水等介质中的抗性基因最终会汇集于污水处理厂，经过各种物理化学与生物处理工艺后，仍会有少部分抗性基因残留于出水中并重新进入到水环境，存在耐药性传播的生态风险，污水处理厂也因此被视为抗性基因的汇聚地和中转站。

    那么，污水处理厂中抗性基因的携带者是谁？它们在污水处理过程中扮演着怎样的角色呢？

污水处理厂中携带抗性基因的宿主细菌信息

    通过对瑞士的12家污水处理厂微生物组DNA和mRNA测序数据（或称：宏基因组和宏转录组）的生物信息学分析与基因组学挖掘之后，鞠峰科研团队共恢复了248个独特、高质量的基因组草图，发现其中有65%的基因组草图编码了抗性基因，且有45%的基因组草图编码了多种类别的抗性基因，可能对多种抗生素具有耐药性。从抗性基因的类别来说，对杆菌肽、氨基糖苷、β-内酰胺类抗生素的抗性基因是最普遍的类型。

    在这些抗性基因宿主细菌当中，有一部分宿主被注释为条件致病菌，包括引发肠胃炎的气单胞菌属等，推测主要来自于污水处理厂服务地区居民的肠道菌群。这些潜在致病菌是污水处理厂中抗性基因的活跃表达者，它们在污水进水中具有很高的丰度和活性，且在出水中并未被完全除尽，存在人类通过污水或受纳水体等途径与致病菌接触后被感染的潜在风险。

    另一类活跃的抗性基因宿主细菌是污水处理厂中土著的反硝化细菌，反硝化细菌是污水生物除氮工艺的执行者之一，通过反硝化作用将污水中的硝酸盐氮转化为氮气，达到去除氮营养元素，防止受纳水体富营养化的目的。此研究中发现有90%以上的反硝化细菌编码了抗性基因，考虑到污水处理厂中存在多种抗生素带来的选择压力，反硝化细菌携带抗性基因可能有助于它们在污水抗生素的选择压力下更好地生存。

    图4    潜在致病菌和土著反硝化菌是污水处理厂中抗性基因的活跃表达者

    目前，城镇污水处理厂设计主要针对生活污水中的有机污染物和营养元素等传统污染物进行去除，并没有针对抗生素和抗生素抗性基因的经济可行的处理措施。我们生活污水中残留的抗生素、抗性基因和抗性细菌会随着出水重新排放到环境中，存在耐药性传播的生态风险。

    鞠峰科研团队的此项研究详细调查了污水处理厂中抗性基因宿主细菌的身份、分布、活性、功能等关键信息，首次解析了污水处理过程中抗生素耐药性和脱氮功能的交互作用。研究指出，污水处理的微生物群落中的病原菌和土著反硝化菌是抗性基因的主要宿主，且在污水处理过程中并未被完全去除。因此应对已处理的出水谨慎处置以免带来安全风险。

    同时，此研究首次建立了基于基因组解析的绝对定量宏转录组的分析方法。该方法解决了此前广泛使用的仅基于重叠群对抗生素抗性基因进行研究所存在的准确识别宿主分类较为困难的问题，并结合绝对定量技术，定量检测了污水处理厂中抗性基因及其宿主在污水原位环境中的活性，而非仅停留在常规相对定量或DNA分析的水平，拓展了对于污水耐药组关键特征的认知。这项工作对未来城镇污水厂工程微生物组与抗生素耐药组的监控以及定量宏组学数据的标准化分析与深度挖掘具有指导意义。