人类活动如药品制造、抗生素使用和废物处置增加了环境中的抗生素污染，使自然微生物群落暴露于从亚抑制到强选择性的浓度范围。尽管抗生素污染被广泛认为会促进抗菌药物耐药性(AMR)的产生，但对于环境暴露导致可测量的群落水平抗性选择的生态条件仍知之甚少。本研究整合生态进化原理与实测环境抗生素浓度，探讨生态背景如何塑造抗性在跨环境中的出现、维持和传播。研究人员讨论了环境条件如何调节抗生素暴露下的突变、水平基因转移(HGT)、适应性代价、上位性及补偿性进化，并阐述微生物相互作用如何缓冲或放大群落内的抗性选择。研究人员进一步考察了共选择、环境异质性、抗生素降解产物以及抗生素的替代生态功能如何影响抗性动态。综上所述，这些观察支持以下观点：抗性选择阈值并非固定浓度，而是受环境条件、群落组成和微生物相互作用塑造的生态依赖性特征。
**1 引言**
抗生素通过治疗细菌感染和预防侵入性医疗操作相关的机会性感染，彻底改变了现代医学。然而，细菌和其他生物体产生抗菌化合物已有数千年历史，抗生素耐药性与抗生素的产生同样古老。在自然环境中，这些化合物通常以局部化且短暂的浓度存在，在产抗生素生物体周围产生微尺度生态互作。因此，抗生素的生态作用和抗性进化历史上受到空间结构、有限扩散和相对较低环境暴露的限制。
人类活动深刻改变了这一平衡。工业制造、临床应用、农业和处置实践共同增加了整个自然生态系统中的抗生素负荷，使微生物群落暴露于持续且地理范围广泛的选择压力下。抗生素现在经常在河流、土壤、沉积物和废水处理系统中被检测到，它们通过人和动物排泄、丢弃的药品以及制药废水进入环境。在这些条件下，敏感细菌可能通过自发突变或水平基因转移获得抗性，从而促进AMR的广泛传播。由于针对多种抗生素的耐药决定因素可在同一谱系内累积，抗生素污染日益被认为是全球AMR危机的一个潜在贡献者。
环境调查通常揭示抗生素浓度与抗性基因丰度之间的相关性。然而，建立抗生素污染与抗性选择之间的直接因果关系仍然具有挑战性，因为抗生素和耐药决定因素通常源自相同的人为来源，包括污水和动物废物。尽管如此，细菌很可能对生态变化做出快速的进化响应，因为其庞大的种群规模和短的世代时间允许生态和进化动态在相似的时间尺度上相互作用。确实，在废水处理系统、医院和制药废水等环境中，抗生素浓度可能超过敏感细菌的最低抑菌浓度(MIC)，且对照实验已证明在这种条件下对耐药菌株有强烈的选择作用。更多研究进一步支持在高抗生素浓度环境中的抗性选择。然而，在这些高度污染的场所之外，环境抗生素暴露导致可测量群落水平抗性选择的条件仍不清楚。
近期的综述主要从广泛的监测、政策或“同一健康”角度探讨了环境AMR问题。特别是，“同一健康”方法的兴起源于认识到细菌及其基因经常在环境、动物和人类之间来回移动，形成了抗性可能产生和传播的相互关联的储库。相比之下，本研究的目的是探讨目前关于环境条件的哪些知识能够使抗生素污染导致群落水平可测量的抗性选择。研究人员不假设普遍的浓度阈值，而是提出可测量的群落水平抗性选择源于抗生素暴露与生态背景的相互作用。因此，相似的抗生素浓度可能导致根本不同的结果，这取决于生态背景。研究人员考察了生态互作、环境异质性和群落动态如何在抗生素污染条件下塑造抗性的出现、维持和传播。
**1.1 环境抗生素浓度与生态影响**
尽管大多数抗生素源自天然产生者如土壤细菌和真菌，但人类活动已将其环境足迹扩展到远远超出这一基线的范围。最近的全球调查显示，来自临床、农业和工业来源的抗生素现在在越来越多的生态系统中被检测到。当这些化合物累积到生理相关浓度时，它们作为环境污染物，能够改变微生物生理和物种相互作用。这一趋势因各部门抗生素使用的持续增加而加剧。2000年至2015年间，全球抗生素消费量增加了近三分之二，包括最后一线治疗药物的显著激增，且预测表明，到2030年使用量可能仍会大幅增加。
即使抗生素存在的浓度远低于临床断点，它们也可能施加可测量的选择效应，因为对敏感细菌的轻微生长抑制仍能为耐药变体提供竞争优势，促进其在种群内的传播。此外，一项使用从887个站点收集的数据进行的荟萃分析显示，环境浓度经常超过已被建议作为抗生素最小选择浓度窗口的范围，该范围是最小抑菌浓度(MIC)的1/4到1/230，在该范围内抗性仍被认为会受到青睐。因此，环境中存在相关亚临床浓度的抗生素表明，环境中的抗生素浓度可能正在影响微生物生态并驱动抗生素耐药细菌的选择。这可能在城市区域附近更为明显，因为研究表明抗生素的环境痕迹正从人类活动密集区向外辐射，对不同生态系统产生深远影响。栖息于土壤和水环境的细菌具有重要的生态作用，例如在多种环境中的营养循环、分解和初级生产力。因此，理解抗生素污染施加的选择压力如何影响微生物种群中观察到的生态进化动态至关重要。然而，这是一项复杂的任务，因为抗生素可能根据其性质、浓度和空间分布产生矛盾的选择效应。此外，相同测量浓度可能根据其生物可利用性、持久性以及暴露发生的生态背景导致不同的选择结果。例如，最近的一项研究表明，废水中的抗性选择无法仅从抗生素浓度推断，而是源于暴露与决定耐药菌株相对适应性的生态背景之间的相互作用。
**1.2 环境对抗生素耐药性获取速率的影响**
环境条件不仅影响抗生素施加的选择强度，还影响耐药变体在微生物种群内出现和传播的速率。抗生素的存在可通过广泛分类为应激诱变的过程促进突变的获得。多种抗生素类别，包括氟喹诺酮类、β-内酰胺类和氨基糖苷类，已被证明可通过SOS介导的反应、氧化应激或翻译错误的下游效应诱导诱变。总体而言，它们支持亚抑制抗生素暴露可通过短暂提高突变率和水平基因转移来增加抗性出现概率的观点。
此外，暴露于不同抗生素可以富集具有诱变表型的细菌。诱变株通过核心DNA修复基因的突变产生，可将全基因组突变率提高三个数量级。单独来看，高突变率通常是有害的，但诱变等位基因可通过搭便车达到高频率，因为它们比非诱变背景更快地产生有益突变，如抗生素耐药性。诱变株已在致病菌和共生菌的自然种群中被检测到，并且可以促进高水平耐药性的逐步进化，特别是当需要多个突变步骤时。一些赋予诱变表型的突变也增加重组率并经历频繁的水平基因转移，促进潜在性状如毒力和抗生素耐药因子的共享。在抗生素以亚抑制或波动浓度存在的污染环境中，诱变谱系因此可能不成比例地有助于适应，潜在地加速抗生素暴露与抗性出现之间的生态进化反馈。
在大肠杆菌及相关细菌中，应激诱变也可通过由中心调节因子RpoS诱导介导的一般应激反应发生。该反应可通过β-内酰胺抗生素介导的应激激活，通过改变DNA修复促进诱变，从而增加抗性出现的概率。
在某些系统中，已证明氨基糖苷类和其他抗生素可增强生物膜形成，并且许多生物膜群落表现出比遗传相似的浮游种群更高的水平基因转移速率。因此，在结构化环境中，此类效应可能通过增加传播和局部选择的机会来促进抗性的持续存在。
细菌相互作用在诱变中也可发挥作用。例如，已证明大肠杆菌对利福平抗性的突变率与细胞密度呈负相关。观察到的突变率可塑性依赖于由细胞间相互作用介导的活化甲基循环，并且独立于Pol IV介导的应激诱变。这种密度依赖性突变率可塑性也在铜绿假单胞菌和酿酒酵母中被证明。在同一研究中，一项广泛的荟萃分析揭示了古菌、细菌和真核生物物种中突变率与种群密度之间一致的负相关性，表明诱变存在广泛的密度依赖性调控。
此外，大规模流行病学分析显示，抗生素耐药性的流行率与当地环境温度在国家和时间尺度上呈正相关，即使在考虑了抗生素消费和人口密度之后。较高的最低温度与多种临床相关病原体中β-内酰胺和氟喹诺酮类抗性的增加率相关，表明变暖的气候可能通过提高细菌生长速率、接触速率以及生态进化反馈的节奏来间接放大抗生素污染对抗性的影响。这些模式强调了在从实验室测量外推到环境抗性选择时，需要考虑温度和其他气候相关变量。
**1.3 生态背景与抗性的适应性景观**
环境中抗生素耐药细菌持续存在的一个关键方面依赖于它们在有无抗生素情况下与敏感细菌竞争资源的能力——它们的相对适应性。无论是通过突变还是水平基因转移产生，抗性机制通常会损害细菌在无药物环境中的表现，因为它们干扰正常的细胞生理，产生通常被称为适应性代价的现象。修饰抗生素靶标的突变常常损害这些蛋白质的天然效率，导致活性或输出降低，从而限制细胞功能，并可能产生有害的多效性效应。通过水平基因转移获得的扩增表达基因意味着细胞由于其增加的转录和翻译抗生素抗性而产生代谢成本。在质粒介导的抗性中，负担主要来源于质粒结构特征，如拷贝数、质粒大小、抗性基因的数量和表达水平以及它们表达的调控背景。携带多个耐药决定因素或强启动子的质粒可能施加实质性的能量和调控负担，而低拷贝或良好整合的质粒可能在跨环境时几乎无成本。这种背景依赖性有助于解释为什么一些抗性质粒即使在直接抗生素选择较弱时也能持续存在。此外，移动遗传元件的获得可能改变染色体基因的转录谱，如果整合到宿主基因组中则会引起进一步的扰动。
几项实验研究表明，抗性通常与有害效应相关。由于耐药细菌往往在竞争中劣于其敏感的对应物，临床上遏制抗生素耐药性传播的一个直觉策略是停止使用无效的抗生素，直到耐药表型降至低频率。不同国家针对不同抗生素采用了这一策略，但其效果并不一致。在某些情况下，抗性如预期那样下降，但在其他情况下，耐药决定因素并未被消除，并且有证据表明在抗生素减少运动后耐药性传播。与后一种情况一致，一项针对大量宏基因组数据集中赋予链霉素、利福平或喹啉类抗性的已知等位基因的调查揭示了这些等位基因在环境中的高度隔离，包括预期抗生素暴露较低的环境。因此，与抗生素耐药相关的适应性代价本身似乎不足以阻止耐药性的传播。
影响耐药菌株适应性的一个关键环境因素是该环境中的抗生素浓度。例如，实验室环境中的研究表明，即使在亚MIC浓度下的几种抗生素仍然施加强烈的选择压力，有利于耐药细菌，因为它们足够地降低了敏感细胞的生长速率，以至于超过了携带抗性所固有的代价。有趣的是，一些抗性突变，特别是那些多效性的突变，可以赋予抗生素非依赖性的、环境特异性的适应性效应，包括适应性效应。例如，利福平抗性突变可在高温和葡萄糖限制的条件下在种群中传播到高频率。
几项研究通过在多个环境中同时比较抗性突变的适应性效应来探讨环境对它们的贡献。例如，携带rpsLK43N或rpsLP91S链霉素抗性突变的鼠伤寒沙门氏菌突变株在补充葡萄糖的M9基本培养基中的生长速率低于野生型，但在含有丙酮酸和琥珀酸的M9中则更高。与野生型不同，这些突变株在这些较差的碳源中不诱导应激诱导的sigma因子RpoS，并且它们的生长不受限制。此外，缺乏RpoS诱导导致其下游基因的诱导受损，影响了翻译保真度和热应激耐受性等表型。在铜绿假单胞菌中，三个临床重要的利福平抗性等位基因的适应性效应在温度梯度上表现出显著变化，但在富含不同碳底物的环境中变化较温和。此外，所有等位基因在至少一种测试环境中是无代价的，而在其他环境中则表现出代价。
这些研究表明，虽然抗性代价往往随环境而变化，但一些抗性突变比其他突变更能适应环境变化。这些差异与其遗传性质有关。首先，非必需、较少多效性靶标中的突变更稳健且代价低于必需靶标中的突变。其次，同一基因座上的不同突变可导致不同程度的稳健性。例如，链霉素抗性突变rpsLK43R在37°C和40°C的M9基本培养基中施加几乎可忽略的适应性代价。然而，同一基因座上的某些突变，rpsLK43T和rpsLK43N，在37°C时施加明显代价，该代价在40°C时几乎加倍，表现出等位基因特异性的热耐受性降低。多效性抗性突变的代价通常归因于耐药菌株与敏感对应物相比的代谢能力差异，例如未优化的基因表达和蛋白质合成。然而，最近的工作揭示了某些抗性代价中DNA损伤增加的影响。该研究表明，在丰富培养基中耐药大肠杆菌指数生长期间，但在基本培养基中则不如此，链霉素和利福平抗性突变的代价与DNA双链断裂强烈相关，这些断裂是由于转录-翻译偶联缺陷产生的。因此，抗性突变的适应性效应可能是多种分子机制组合的结果，而环境决定了每种机制的贡献。
空间结构也是评估环境中菌株适应性时需要考虑的重要因素。例如，在密集种群环境（如微生物菌落）中细胞的集体行为可能掩盖它们之间个体的适应性变异，这是由于细胞的物理相互作用和运动动态。与此一致，已观察到更高水平耐药性的进化并不总是由种群中最耐药的菌株驱动，因为高耐药突变株可能被困在更敏感的变体后面。
虽然大多数抗生素耐药性研究是在标准实验室培养基中进行的，但一些最近的研究使用在化学或物理上类似于自然环境的培养基进行。例如，一项研究关注利福平或萘啶酸抗性大肠杆菌突变株在污泥、污水、土壤以及模拟人类尿液和结肠成分的合成培养基等多种环境中的竞争适应性。该研究报告了基因型与环境的相互作用(GxE)，耐药菌株在不同培养基间表现出显著的适应性变异性。令人担忧的是，抗性突变通常无代价，并且在80%的测试环境中，至少一种抗性突变是有益的，进一步强调了生态位作为抗性储库的作用。然而，一些测试环境中抗生素的存在是可能的但未被评估。另一项实验研究比较了抗生素耐药和敏感菌株在有无其他竞争细菌时如何响应抗生素选择，该研究表明，源自猪粪便的复杂多物种厌氧群落可以增加选择嵌入群落中的耐药大肠杆菌菌株所需的抗生素浓度。从机制上讲，这种增加被归因于群落中敏感大肠杆菌菌株的保护或通过竞争，增加了抗性相关的代价，而敏感菌株的MIC没有相应变化。这些结果与先前的研究一致，表明竞争可以限制细菌适应，并支持拮抗性细菌间相互作用可能限制群落中抗生素耐药性进化的观点。
最近的工作进一步强化了生态背景在塑造选择结果中的重要性，表明物种间相互作用可以改变抗生素耐药性的进化轨迹。该研究表明，在鼠伤寒沙门氏菌中，在低链霉素浓度下竞争性大肠杆菌菌株的存在通过涉及负适应性上位性的轨迹促进了高耐药突变株的积累，这是由竞争诱导的隐秘氨基糖苷转移酶基因aadA表达驱动的。总的来说，这些发现支持以下假设：选择环境抗性所需的浓度不是固定的，而是作为一个群落依赖的生态特性出现，由改变耐药和敏感菌株相对适应性的基因型-环境相互作用和物种相互作用所塑造。
上位性相互作用进一步复杂化了关于抗性持续存在的预测，因为耐药决定因素的适应性效应取决于遗传背景和环境条件。环境条件影响应激反应、代谢和资源可用性，从而改变突变组合是有益、中性还是有害。重要的是，抗性突变、质粒或补偿等位基因之间的正上位性可以显著降低多重抗性的预期适应性代价，促进耐药谱系在污染环境中的持续存在。一个明确的环境依赖性例证来自跟踪大肠杆菌群体长期适应高温的实验。在这些研究中，两个利福平抗性等位基因在大肠杆菌B REL606中赋予热耐受性，同时在大肠杆菌K12 MG1655中仍是有害的。这些发现证明了抗性突变的适应性效应如何在遗传背景和环境条件之间转变，突出了环境上位性在抗生素、金属、杀菌剂和营养波动动态相互作用的污染生态系统中的潜在重要性。
据报道，大肠杆菌、结核分枝杆菌和铜绿假单胞菌等细菌中抗性突变之间频繁发生正上位性，多重抗性的代价低于预期。在抗性质粒之间或接合质粒与染色体突变之间也观察到类似效应。总的来说，这些研究表明，正上位性可能通过减少通常与抗性累积相关的适应性代价来促进污染环境中多重抗性的持续存在和传播。
虽然抗生素抗性在无抗生素环境中通常代价高昂，但耐药细菌可以通过补偿性进化部分或完全恢复适应性。补偿性突变减轻了耐药决定因素的有害效应，并且已在实验室进化实验、临床分离株和体内感染模型中广泛记录。重要的是，补偿通常通过原始抗性基因座之外的突变发生，使耐药谱系在不失去抗性的情况下恢复竞争能力，使直接恢复敏感性相对罕见。
补偿性突变的出现和传播本身受到生态和进化条件的影响，包括种群大小、瓶颈、突变率和遗传背景。与更大适应性代价相关的抗性突变通常补偿得更快，使最初处于劣势的耐药菌株能够在长期进化时间尺度上持续存在并竞争。这些观察表明，环境条件可以强烈影响抗生素暴露后抗性的稳定性和长期持续存在。
重要的是，抗性的适应性代价以及补偿性突变出现和传播的概率都取决于种群结构、瓶颈、突变供应和物种相互作用。在有利于快速补偿或减少抗性适应性负担的生态设置中，即使在较低或间歇性抗生素暴露下，耐药谱系也可能持续存在并被选择。相反，在限制补偿的环境中，相同的暴露可能无法维持抗性。
**1.4 塑造抗性选择的非生物环境因素**
众所周知，选择强烈依赖于抗生素，因为不同化合物表现出不同的内在特性，如效力、选择窗口、环境持久性和降解产物。因此，实验研究表明，抗性的最小选择浓度(MSC)及相关预测无效应浓度在不同抗生素类别和单个化合物之间差异很大。虽然这些工作强调没有单一的普遍阈值可应用于所有抗生素，但这种抗生素依赖性仍然忽略了进一步调节抗性阈值的生态因素，因此相同的抗生素可能根据周围的环境和微生物条件在不同浓度下选择抗性。
抗生素耐药性通常与其他耐药性状并存，包括对重金属和杀菌剂的耐受性，因为这些表型通常通过重叠的选择压力相关联。在污染环境中，抗生素、金属、消毒剂和农业化学品的混合物经常共存，意味着选择压力很少孤立作用。因此，即使抗生素浓度低于直接选择阈值，抗生素耐药性也可能得以维持。
当杀菌剂或金属攻击与抗生素相同的细胞结构、诱导相似的应激反应或共享摄取途径时，它们可以有利于也减少对抗生素易感性的机制的进化或激活。这种共选择形式被称为交叉抗性，当一种生理变化同时保护免受多种压力时就会发生。交叉抗性通常涉及广谱抗性机制，特别是外排泵和其他多药转运蛋白，它们输出多种有毒化合物。因为这些泵也可以排出金属以及宿主来源的化合物如胆汁盐、激素和免疫分子，被金属或其他污染物污染的环境，例如单一抗生素，可能无意中富集多重耐药细菌，即使在没有多种抗生素的情况下。污染环境也可能塑造附带敏感性，即对一种抗菌剂的抗性增加对另一种的易感性。因为附带敏感性对环境因素如pH、温度和胆汁盐敏感，污染产生的环境异质性可以调节甚至破坏这些相互作用。这意味着人为污染可能破坏附带敏感性所需的生态背景，而附带敏感性能够减缓抗性进化。
共选择的另一个主要途径是共抗性，当一个耐药决定因素与另一个耐药决定因素编码在同一移动遗传元件上时发生。抗生素和有毒金属抗性基因经常在质粒中连锁。共抗性的一个关键例子涉及Tn21类转座子，其中包含汞抗性和多种抗生素抗性基因。Tn21被认为在其整合子中积累了多种抗生素抗性，同时与汞抗性mer操纵子相关联，导致当临床、农业和工业实践提供两种类型的选择剂时Tn21的传播。有证据表明，永久冻土来源的假单胞菌含有与现代细菌中发现的转座子密切相关但不携带耐药决定因素的转座子。此外，对前抗生素时代肠杆菌科细菌培养物集合中祖先携带抗性的质粒(R-质粒)的表征表明，虽然显著部分预先存在的R-质粒可以转移，但它们当时并未携带可转移的抗生素耐药决定因素。这些研究证实共抗性可能已被人类抗生素使用所选择和放大。
最后，共选择可能通过共调节出现，其中耐药决定因素与污染诱导的应激反应系统共享调节途径。例如，过量锌已被证明可引起大肠杆菌中mdtABC操纵子的上调，该操纵子编码一种赋予对新生霉素和脱氧胆酸盐等抗菌剂抗性的外排系统。锌暴露也被证明可诱导和选择对碳青霉烯类抗生素亚胺培南的耐药性。参与锌抗性的重金属外排泵CzcCBA的表达增加，而参与碳青霉烯转运的OprD孔蛋白减少。这是由于CzcS传感器蛋白中的单个氨基酸取代，该蛋白被证明参与它们的调节。这种共调节的应激反应导致在抗生素暴露之前表达抗生素耐药决定因素，并使治疗无效。除非共调节丢失，否则有利于任何表型的选择都可能驱动另一个表型的持续存在。在共选择发生的环境中，即使抗生素浓度低于最小选择浓度，也可能发生对抗生素抗性的选择，进一步强调结果是由多种压力的共同作用塑造的。
**1.5 微生物相互作用塑造抗性选择**
细菌生活在由不同菌株和物种组成的大群落中，表现出多种相互作用，如竞争、利用、共栖和互利共生。环境中的抗生素可以破坏这些相互作用并影响整个生态系统。然而，尽管微生物相互作用在塑造微生物群落和潜在导致生物多样性丧失方面发挥着基础性作用，但抗生素耐药性的研究经常忽视这些相互作用。重要的是，环境中存在抗生素时对群落每个成员施加的选择压力将取决于这些相互作用。例如，使抗生素失活的抗性机制广泛存在，为一些最广泛使用的抗生素提供了抗性，包括氨基糖苷类、氯霉素和β-内酰胺类。这种抗性机制可被视为合作性状，因为生产抗生素失活酶的益处不仅限于生产者，而且在整个群落中共享。例如，通过产生β-内酰胺酶的大肠杆菌对β-内酰胺抗生素的酶促失活可以保护鼠伤寒沙门氏菌免受致死抗生素浓度的伤害。此外，金黄色葡萄球菌或肺炎链球菌能够通过质粒携带的乙酰转移酶使细胞内氯霉素失活，这使得敏感的肺炎链球菌通过在体外和体内小鼠模型中净化局部环境而得以存活。计算建模表明，当群落相互作用是互利共生时，这种合作性抗生素失活的益处最大，因为互利共生驱动了群落的空间混合，从而分享抗生素失活的益处。因此，抗生素失活可以保护微生物群落，允许群落中的敏感成员在抗生素致死浓度下存活。
微生物相互作用主要受有限资源的竞争驱动，这反映在经典的资源竞争模型中，该模型根据资源可用性、需求和养分消耗速率预测微生物竞争的结果。通过抗生素暴露破坏或改变种间竞争或合作的强度，可以通过使原本不可利用的资源可供其他群落成员利用来改变群落结构。例如，对抗生素主导的啤酒厂多物种生物膜进行抗生素治疗，导致群落内抑制高度竞争物种而减少了竞争水平。结果，群落中原本被抑制物种的抗生素耐受性增加，导致其生长。相比之下，互利共生相互作用如交叉喂养可能导致群落内物种之间的相互依赖。在这些情况下，交叉喂养网络中所有成员的抗生素敏感性降低到联合体中最弱成员的水平。
当群落保护由净化提供时——例如，产生β-内酰胺酶的菌株对β-内酰胺的酶促失活——预计对净化（耐药）基因型的选择将遵循负频率依赖性动力学。当耐药菌株处于低频率时，大部分抗生素存在于环境中，因此净化主要使耐药基因型及其近邻受益，允许其增加频率。随着耐药菌株变得更加普遍且更多抗生素分子被净化，更大比例的敏感群落成员也受到降低的局部抗生素浓度的保护，因此对耐药基因型的相对适合性利益下降。负频率依赖性选择可能将耐药（净化）细菌维持在中间频率，并在单一抗生素中等浓度的污染环境中维持耐药和敏感菌株的共存，但它不太可能应对异常高浓度的抗生素或同时净化多种抗生素。虽然由单个关键物种提供的保护通常更容易受到随机事件和保护物种密度波动的影响，但由多个群落物种或群落的物理性质（例如，生物膜）提供的保护，由于群落内更高的功能冗余，集体抗性或耐受性可能更稳定。
总的来说，这些研究表明群落背景可以将有效选择阈值向上或向下移动。在某些群落中，竞争相互作用可能增加抗性代价并缓冲选择，而净化和互利相互作用可能降低耐药菌株增加频率所需的阈值。因此，群落水平的抗性选择不能仅从抗生素浓度预测，而是取决于微生物相互作用如何在群落内重新分配成本、收益和暴露。重要的是，微生物相互作用本身是动态的，可能响应环境压力而改变。例如，已经证明降解有毒工业流体的四种细菌物种在恶劣条件下表现出强烈的正相互作用，允许所有物种持续存在，而当毒性降低或添加营养物质时竞争重新出现。这表明促进与竞争之间的平衡是依赖背景的，可能随着环境压力而改变。类似地，抗生素污染可能同样改变微生物相互作用的性质，高抗生素浓度可能有利于不同于低或无暴露下观察到的促进性或保护性相互作用。这种动态变化进一步复杂化了自然群落中选择阈值的预测。
除了成对的竞争或促进性相互作用外，微生物群落还可能表现出塑造抗生素暴露环境中抗性持续存在的更高层次生态进化动态。例如，由细菌素或抗生素产生和扩散介导的相互作用可以产生非传递性竞争网络。因为抗菌产物通常代价高昂，生产者可以消除敏感竞争者，但在空间结构化环境中，一旦敏感菌株被消除，耐药非生产者会胜过生产者。这些相互作用在菌株之间创造了“石头-剪刀-布”(RPS)游戏，这已在体外、土壤微宇宙和宿主相关环境中被记录，在这些环境中空间结构和有限扩散对于维持非传递性循环优势至关重要。例如，已证明甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌分化为细菌素产生、耐药和交叉耐药谱系，产生种内类RPS相互作用。这种动态在生物膜和其他空间结构化环境中尤为重要，其中内源拮抗产生局部抑制梯度，有助于维持共存在。在这些环境中，预计抗生素污染通过覆盖内源抗菌梯度并破坏维持多样性的非传递性网络来发挥其最强的破坏性影响。在宿主相关微生物群落和土壤微宇宙中也可能预期类似的效果，在这些环境中，细菌素和其他内源抗菌剂维持着有助于共存的更高层次相互作用。
人为抗生素污染是否系统性地破坏这些维持多样性的网络仍是一个悬而未决的问题。在共存依赖于内源拮抗相关的精细平衡权衡的结构化环境中，预计外源抗生素会侵蚀这些权衡并有利于广泛耐药的一般菌株占据优势。验证这一预测需要进一步的实验研究。
抗生素在自然界中的确切作用仍不清楚，因为仅将这些化合物视为杀菌剂受到其在自然环境中低浓度和替代分子功能的挑战。例如，亚抑制浓度的抗生素可以影响细胞间通讯并调节与毒力、定植、运动性、应激反应和生物膜形成相关的适应性基因的表达。细菌通过群体感应(QS)机制识别种群密度并同步表达集体任务的基因，包括抗生素抗性性状，如外排泵表达和生物膜形成。因此，操纵和抑制QS通讯成为对抗抗生素耐药病原体的一种有前途的方法。然而，它带来了挑战，因为在感染期间破坏QS可能降低细菌适应性，潜在地选择对QS抑制的抗性。QS涉及协调表达使细菌能够增强对氧化、渗透、热和重金属应激耐受性的因子的表达，对细菌生态具有重大影响。例如，已经证明QS抗氧化应激增强反应涉及私人产品（即细胞内酶）的产生，强烈表明氧化和其他应激可能正在选择具有活跃QS系统和对QS抑制剂有抗性的细胞。此外，压力的存在可能在调节群体中QS作弊者比例方面发挥重要作用，突出了QS在细菌生理学和生态学中的作用。
临床和自然环境的一个区别是，自然生态系统中的细菌通常同时暴露于多种压力下。例如，土壤细菌可能同时遇到比临床细菌更多的药物或毒素。这一点很重要，因为已证明对于四环素耐药细菌，四环素与其他抗生素的联合作用可能是协同的（两种药物的联合效应大于预期）或抑制的（两种药物的效应弱于其中一种药物单独的效应）。特别是，在四环素亚MIC浓度下可能发生选择敏感性的抗生素抑制性组合。当细菌群体被抑制生长的药物如抑菌抗生素或噬菌体短暂抑制，同时暴露于仅杀死生长细菌的条件下时，观察到另一种选择有利于敏感性而非抗性的压力组合。例如，四环素或磺胺类药物使敏感细菌停止生长并保护它们免受青霉素的杀死，而对这些抗生素有抗性的菌株继续生长并被青霉素迅速消灭。总的来说，这些观察表明，生态和化学过程如抑制性药物相互作用、降解产物和附带敏感性，在某些条件下可能反选择抗性并有利于敏感种群。
一种特别有趣的负交叉抗性形式发生在对抗生素的抗性被抗生素的化学降解产物所抵消时，可能导致群落内不同物种的组成和频率发生重大变化，但对抗性进化的选择压力有限。例如，在实验室中观察到四环素降解产生脱水四环素作为稳定产物，该产物强烈选择敏感细菌。在这个和其他类似案例中，抗生素可能对其产生微生物发挥双重作用，最初抑制敏感菌株的生长并选择抗性，后来随着抗生素降解选择抗性来维持敏感性。因此，任何化合物在环境中的总体影响评估应反映其直接影响以及它降解成的化合物的影响。这项任务需要进一步研究，因为我们才刚刚开始理解微生物相互作用在维持微生物生态系统方面的潜力。
**2 知识空白与未来方向**
**2.1 生态阈值**
尽管越来越多的证据表明亚抑制抗生素浓度可以促进抗性的选择，但对于环境浓度如何转化为可测量的群落水平进化结果仍存在重大不确定性。大多数实验研究在简化的实验室系统中进行，这些系统未能完全捕捉自然环境的空间结构、物理化学异质性和多物种相互作用。因此，预测环境抗生素污染何时足以驱动抗性选择仍然具有挑战性。
**2.2 群落相互作用**
一个主要的未解决问题涉及微生物相互作用在环境现实条件下调节抗性选择的作用。虽然竞争、净化、交叉喂养和更高层次的生态相互作用可以在实验系统中显著改变选择动态，但它们在自然生态系统中随时间的定量贡献仍知之甚少。特别是，确定群落结构如何影响抗性相关相互作用的出现、持续或崩溃是一个重要的未来方向。
**2.3 预测模型**
未来的进展可能取决于将生态进化理论与环境相关的抗生素生物可利用性、微生物群落组成和时间暴露动态测量相结合。开发将生态背景与群落水平选择结果联系起来的模型对于改善环境风险评估和设计减轻抗生素污染下抗性选择的缓解策略至关重要。
**3 结论性评述**
综上所述，本文综述的生态进化过程支持以下观点：群落水平的抗性选择不仅由抗生素浓度决定，而是源于抗生素暴露、共选择、群落组成和随后相互作用之间的相互作用。特别是，研究人员认为微生物相互作用显著塑造了抗性的环境适应性景观，强烈影响抗性的选择阈值，这应被理解为依赖背景的生态属性，而非固定浓度值。这对环境风险评估具有重要启示，因为它表明普遍的“安全”阈值不太可能广泛适用于异质生态系统。
重要的是，这些相互作用本身是动态的。随着环境条件的变化，包括抗生素浓度波动、养分可用性、共压力因子和污染物混合物的变化，竞争、促进、拮抗和群落保护之间的平衡可能随时间改变。因此，相同的微生物群落在不同的时间或物理化学条件下可能表现出不同的选择结果。这一时间维度进一步复杂化了预测，并强调需要从静态阈值概念转向基于实验的、特定生态系统的预测模型。
未来的进展需要整合实验室、简化的群落系统和实地研究，共同量化在环境现实暴露方案下的生物可利用抗生素浓度、微生物群落结构和群落水平选择结果。此类努力对于改善预测生态框架和为缓解策略提供信息至关重要。与此同时，减少来自制造业、医疗保健和农业的抗生素排放，以及开发强大的生物修复方法，对于限制尽管全球抗生素使用增加但环境对耐药性的选择仍然至关重要。
