在看不见的角落，一场关乎人类健康的“静默战争”正在打响。抗生素滥用已使细菌的耐药性问题成为全球公共卫生的巨大威胁。然而，科学家们发现，即使努力控制抗生素使用，环境中的耐药基因（ARGs）仍在悄然蔓延。谁是这场战争背后的“神秘推手”？一项发表在渤海湾沿岸锦州湾地区的研究揭示，除了抗生素本身，另一种来自工业生产的污染物——重金属，可能在耐药基因的传播中扮演着同样，甚至更为关键的角色。该研究成果发表于国际期刊《Frontiers in Microbiology》。
为了揭示这一复杂关系背后的机制，研究人员在2019年6月沿着锦州湾沿岸的13个点位采集了表层沉积物样本，并在其中两个代表性点位（DO1和MI3）采集了垂直剖面样本，深度达60厘米，以分析污染物在空间和深度上的分布。研究团队运用了一系列关键方法：首先，利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和原子荧光光谱法（AFS）测定了砷、镉、铅、锌等8种金属（类金属）的总含量及其生物可利用形态。其次，通过高效液相色谱串联质谱法（HPLC-MS/MS）对18种常见抗生素（如四环素类、磺胺类、喹诺酮类等）进行了检测。再者，通过实时荧光定量聚合酶链式反应（qPCR）技术，定量分析了包括tetA、sul1、sul2、qnrA在内的8种关键抗生素抗性基因（ARGs）的丰度。最后，从6个沉积物样本中提取宏基因组进行了测序分析，以探究移动遗传元件（MGEs）和抗性机制，并结合随机森林（RF）模型，量化了重金属与抗生素对ARGs分布的相对贡献。
3.1 沉积物中重金属与抗生素的污染现状
重金属分布 ：研究表明，排污口中游和下游区域的沉积物中重金属污染非常严重，其中锌（Zn）含量高达总金属含量的70%，砷（As）含量占20%，总金属含量最高可达22克/千克。表层和剖面样品均显示出相似的高重金属累积模式，高浓度污染可延伸至20厘米深度。研究还注意到，在高重金属水平的采样点，抗生素抗性基因（ARGs）的水平也同样较高。
抗生素分布 ：该区域抗生素污染同样严重。最常见的抗生素是四环素类，其浓度最高可达409纳克/克（干重），其次是脂肽类、磺胺类和喹诺酮类。在排污口附近，抗生素水平是未受点源污染区域的三倍以上，与重金属和ARGs的分布规律相似，显示出明显的复合污染富集特征。
3.2 沉积物中ARGs的丰度
在表层沉积物中检测到的ARGs主要为tetA、tetM、sul1、sul2、qnrS和qnrA。表层沉积物中，ARGs的相对丰度在0.195至1.23之间变化，平均值为0.53。中游区域ARGs含量最高，下游次之，上游最少。在垂直剖面上，ARGs丰度随深度增加而降低，但即使在60厘米深处，位于下游的DO1点位的基因丰度（0.266）仍可被检出，这可能是因为该点位于污水排放口下游，受多种污染物富集影响更为严重。其中，磺胺类抗性基因sul2和sul1是表层沉积物中的主导ARGs，这与磺胺类抗生素的广泛使用及其高水溶性和持久性有关。
3.3 抗生素、重金属与ARGs丰度的相关性
与抗生素的相关性 ：研究表明，在表层沉积物和部分剖面中，tetA、sul1和qnrA的丰度与所有类型的抗生素均呈显著正相关。然而，某些ARGs（如tetM、qnrS）与特定抗生素的关联性较弱，这可能源于抗性基因和抗生素在环境中不同的归趋（fate）与迁移机制，或是由于位于同一移动遗传元件（MGE）上的不同类别抗性基因之间的交叉选择压力。
与重金属的相关性 ：相关性分析显示，在垂直剖面样品中，ARGs与重金属的关联性更为显著。例如，在下游DO1点位剖面，sul1基因与所有重金属类型均呈显著正相关；tetA和sul2基因与除钼（Mo）外的所有金属呈正相关。中游MI3点位剖面中，所有ARGs类型均与铅（Pb）呈正相关。随机森林模型分析进一步表明，对于不同类型的ARGs，重金属的贡献率存在差异：对tet基因，重金属贡献率为50.47%；对sul基因，重金属贡献率高达72.62%；对qnr基因，抗生素贡献率更高，为79.33%。这清晰地表明重金属是驱动ARGs分布不可忽视的因素，尤其对磺胺类抗性基因。研究特别指出，重金属的生物可利用态（如弱酸提取态）是驱动ARGs增殖的关键因素，其选择性压力甚至可能超过共存的抗生素。
3.4 抗生素、重金属与移动遗传元件（MGEs）丰度的相关性
移动遗传元件（MGEs），如质粒、整合子和转座子，是抗性基因水平转移的“交通工具”。研究发现，重金属与多种抗性机制存在显著关联。砷（As）、镉（Cd）、铜（Cu）、锌（Zn）和钼（Mo）的含量与抗性基因的突变显著正相关。此外，钴（Co）和铅（Pb）与质粒、整合子、外排泵等MGEs也呈显著正相关。随机森林分析证实，所有重金属对MGEs的贡献均超过抗生素，这凸显了重金属在抗生素抗性遗传中的重要作用。这背后的机制包括共抗性 （金属和抗生素抗性基因位于同一遗传元件上）和交叉抗性 （如外排泵系统同时排出抗生素和重金属离子）。
研究结论与重要意义
本研究通过系统分析锦州湾河口沉积物，明确了抗生素抗性基因（ARGs）、抗生素和重金属之间的复杂关系。研究证实，除了抗生素的直接选择压力外，重金属，特别是其生物可利用形态，是驱动ARGs增殖和传播的关键环境因子。通过随机森林模型量化了重金属对sul基因的贡献率可高达72.6%，这一发现挑战了传统上仅关注抗生素作为ARGs主要驱动力的观点，为理解复合污染环境下ARGs的传播机制提供了新的视角。
本研究的突破性进展在于将关注点从污染物的总浓度转向了其生物可利用性。研究发现，重金属的弱酸提取态（即可被生物利用的形态）是驱动ARGs和MGEs传播的最活跃因素。这意味着，单纯监测环境中的总金属浓度可能无法准确评估其对ARGs传播的实际风险，而评估其生物可利用部分对于制定精准的污染防控策略至关重要。这一“形态决定活性”的发现，为未来河口和近海生态系统的生态风险评估与管理提供了新的科学依据，强调了在复合污染治理中，应综合考虑重金属的生物有效性，并协同管控抗生素与重金属的排放，以更有效地遏制抗生素抗性基因在环境中的扩散，保障生态安全和人类健康。
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