梁永兵,李海北,程春燕,師丹陽(yáng),陳鄭珊,楊棟,孫棟良,邵一帆,李君文,金敏
軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院環(huán)境醫(yī)學(xué)與作業(yè)醫(yī)學(xué)研究所,天津市環(huán)境與食品安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300050
抗生素在治療人類傳染病方面做出了巨大貢獻(xiàn),同時(shí)也在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)中應(yīng)用廣泛[1-2],但隨之而來(lái)的抗生素耐藥性問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。世界衛(wèi)生組織公布了2019年全球健康面臨的最大威脅清單,細(xì)菌抗生素耐藥問(wèn)題位列第五,而抗生素耐藥基因(antibiotic resistance genes, ARGs)作為細(xì)菌產(chǎn)生抗生素耐藥性的重要遺傳基礎(chǔ),已被定義為一種新型環(huán)境污染物并對(duì)人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[3]。尤其近幾年來(lái),隨著耐萬(wàn)古霉素腸球菌等超級(jí)耐藥細(xì)菌(super antibiotic resistance bacteria, SARB)不斷涌現(xiàn),其超級(jí)耐藥基因(super antibiotic resistance genes, SARGs)如blaNDM-1和mcr-1在水中的污染也不容小覷。Khan等[4]在印度和巴基斯坦管網(wǎng)末梢水細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)耐碳青霉烯類基因blaNDM-1,而在中國(guó)和美國(guó)等水樣中檢測(cè)出耐多粘菌素類基因mcr-1,且該基因能夠通過(guò)飲用水污染途徑定植到小鼠腸道菌群;曹振華等[5]也在南京地區(qū)自來(lái)水廠出水細(xì)菌中檢出mcr-1和blaNDM-1。
自然環(huán)境中的SARGs主要有細(xì)胞內(nèi)SARGs(intracellular SARGs, iSARGs)與細(xì)胞外SARGs(extracellular SARGs, eSARGs)2種存在形式。其中,iSARGs位于細(xì)菌內(nèi)部,可通過(guò)基因垂直傳播或接合轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)導(dǎo)等水平轉(zhuǎn)移方式傳播抗生素耐藥性,而eSARGs獨(dú)立存在于環(huán)境中,是由菌體分泌或者死亡裂解后釋放到外部環(huán)境中的游離DNA,具有水平轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)化的風(fēng)險(xiǎn)[6],如Jin等[7]發(fā)現(xiàn),消毒過(guò)程中死亡的細(xì)菌釋放的游離ARGs可轉(zhuǎn)化消毒損傷細(xì)菌,從而促進(jìn)細(xì)菌間ARGs的傳播與擴(kuò)散。因此,不管iSARGs還是eSARG,均對(duì)水中SARB的傳播與擴(kuò)散具有重要作用,而生活飲用水中iSARGs和eSARG污染,均可能對(duì)人類健康造成風(fēng)險(xiǎn)。2019年,我們首次報(bào)告管網(wǎng)末梢水除了存在sul1和sul2等胞內(nèi)ARGs(intracellular ARGs, iARGs)外,還有相關(guān)胞外ARGs(extracellular ARGs, eARGs)污染[8],然而,截止目前,還未見(jiàn)管網(wǎng)末梢水中有關(guān)eSARGs的污染特征研究。
基于此,本文以天津市中心城區(qū)的集中供應(yīng)管網(wǎng)末梢水為研究對(duì)象,通過(guò)分析包括blaNDM-1、mcr-1、blaKPC和vanA等SARGs在內(nèi)的15種ARGs的污染現(xiàn)狀,闡明天津市集中供應(yīng)管網(wǎng)末梢水的ARGs污染特征。本研究將為今后生活飲用水ARGs的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及其控制奠定基礎(chǔ),也為今后能將ARGs監(jiān)測(cè)措施和風(fēng)險(xiǎn)管理策略納入公共衛(wèi)生決策系統(tǒng)提供理論依據(jù)。
DN-ZY正壓過(guò)濾器(海寧市能大過(guò)濾設(shè)備有限公司),BT100-2J蠕動(dòng)泵(保定蘭格恒流泵有限公司),2-16KL臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)(德國(guó)Sigma公司),ViiA 7Dx熒光定量PCR儀(美國(guó)ABI公司),2100P便攜式濁度分析儀(美國(guó)Hach公司),HQ40d便攜式測(cè)定儀(美國(guó)Hach公司),DR1900便攜式分光光度計(jì)(美國(guó)Hach公司),HH.Bll-500BS型恒溫培養(yǎng)箱(天津市天宇實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);水相微孔過(guò)濾膜(北京市北化黎明膜分離技術(shù)有限責(zé)任公司),SYBR Green熒光定量PCR試劑盒(瑞士Roche公司),F(xiàn)ast DNA Spin Kit for Soil(美國(guó)MP Bio公司),DNA純化試劑盒(天根生化科技(北京)有限公司);營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、m-Endo培養(yǎng)基、MFC培養(yǎng)基和MUG瓊脂培養(yǎng)基等購(gòu)自北京陸橋技術(shù)有限責(zé)任公司。
根據(jù)天津中心城區(qū)的6個(gè)行政區(qū)域分布,從各區(qū)域中隨機(jī)選取一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行管網(wǎng)末梢水樣采集(圖1),水樣采集體積為20 L,采樣時(shí)間為2020年5月,每個(gè)采樣點(diǎn)采集3次。水樣采集后,冷藏條件下迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。
圖1 天津市中心城區(qū)采樣點(diǎn)分布圖注:采樣時(shí)間及地點(diǎn)如下,采樣點(diǎn)① 2020年5月6、13和20日8:00—10:00,天津市和平區(qū)大理道;采樣點(diǎn)② 2020年5月6、13和20日10:00—12:00,天津市河西區(qū)樂(lè)園道;采樣點(diǎn)③ 2020年5月6、13和20日14:00—16:00,天津市河?xùn)|區(qū)成林道;采樣點(diǎn)④ 2020年5月8、15和22日8:00—10:00,天津市河北區(qū)黃緯路;采樣點(diǎn)⑤ 2020年5月8、15和22日10:00—12:00,天津市紅橋區(qū)芥園道;采樣點(diǎn)⑥ 2020年5月8、15和22日14:00—16:00,天津市南開(kāi)區(qū)水上公園東路。Fig. 1 Sampling sites of Tianjin city centerNote: Sampling time and location were as follows: Sampling site ① 8:00—10:00 on May 6th, 13th and 20th, 2020, Dali Road, Heping District, Tianjin; Sampling site ② 10:00—12:00 on May 6th, 13th and 20th, 2020, Leyuan Road, Hexi District, Tianjin; Sampling site ③ 14:00—16:00 on May 6th, 13th and 20th, 2020, Chenglin Road, Hedong District, Tianjin; Sampling site ④ 8:00—10:00 on May 8th, 15th and 22nd, 2020, Huangwei Road, Hebei District, Tianjin; Sampling site ⑤ 10:00—12:00 on May 8th, 15th and 22nd, 2020, Jieyuan Road, Hongqiao District, Tianjin; Sampling site ⑥ 14:00—16:00 on May 8th, 15th and 22nd, 2020, Water Park East Road, Nankai District, Tianjin.
參照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 5749—2006)[9]和《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 微生物指標(biāo)》(GB/T 5750.12—2006)[10]對(duì)自來(lái)水的理化及微生物指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。濁度采用便攜式濁度分析儀測(cè)定;pH值和電導(dǎo)率由HQ40d便攜式測(cè)定儀測(cè)定;余氯和氨氮采用DR1900便攜式分光光度計(jì)測(cè)定;高錳酸鉀指數(shù)利用DRB200型數(shù)字反應(yīng)器(美國(guó)Hach公司)和DR1900便攜式分光光度計(jì)檢測(cè)。菌落總數(shù)、總大腸菌群、耐熱大腸菌群和大腸埃希氏菌分別利用營(yíng)養(yǎng)瓊脂、m-Endo培養(yǎng)基、MFC培養(yǎng)基和MUG瓊脂培養(yǎng)基進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)和計(jì)數(shù)。每組做3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。
細(xì)菌的富集及iARGs的提取方法參照文獻(xiàn)[11],在正壓過(guò)濾器中裝入孔徑0.22 μm的濾膜,利用蠕動(dòng)泵將20 L水勻速(50 mL·min-1)通過(guò)過(guò)濾器后,將濾膜取出剪碎,并用100 mL的3%牛肉膏洗脫液浸泡,置于磁力攪拌器中攪拌30 min(4 ℃)后,將細(xì)菌懸液收集到50 mL的離心管中;離心(8 000 r·min-1,10 min,4 ℃),棄上清;向沉淀中加入10 mL磷酸鹽緩沖溶液(PBS)緩沖液重懸,用Fast DNA Spin Kit for Soil提取DNA后,置于-80 ℃保存待測(cè)。
參照文獻(xiàn)[6]的方法,制備核酸吸附顆粒并利用核酸吸附-洗脫方法收集胞外游離核酸。以PBR322質(zhì)粒作為內(nèi)參(終濃度為20 GC·mL-1),加入到上述過(guò)濾后的管網(wǎng)末梢水中,以50 mL·min-1流速通過(guò)裝有80~90 g核酸吸附顆粒的過(guò)濾柱(直徑5 cm、高30 cm),用300 mL洗脫液(15 g·L-1氯化鈉、30 g·L-1胰蛋白胨、15g·L-1牛肉粉、3.75 g·L-1甘氨酸、0.28 g·L-1氫氧化鈉,pH=9.3±0.2)進(jìn)行洗脫。將收集的洗脫液通過(guò)PES微孔膜過(guò)濾器(φ 0.22 μm,美國(guó)Milipore公司)后,加入同等體積異丙醇,充分混勻,室溫靜置16 h;離心(10 000 r·min-1,4 ℃)10 min后,棄上清;用體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇水溶液重懸沉淀并離心(10 000 r·min-1,5 min,4 ℃);棄上清后靜置數(shù)分鐘,使乙醇充分揮發(fā);加入1 mL無(wú)菌Tris-EDTA緩沖液(pH=8.0)混勻。利用用DNA純化試劑盒進(jìn)一步純化胞外核酸后,置于-80 ℃保存待測(cè)。
利用熒光定量PCR技術(shù)(quantitative real-time polymerase chain reaction, qPCR)檢測(cè)15種具有代表性的不同類別ARGs(表1),其qPCR反應(yīng)體系、反應(yīng)條件及標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。引物和ARGs標(biāo)準(zhǔn)品由上海生工有限公司合成,每個(gè)基因做3次平行檢測(cè)并設(shè)有陰性對(duì)照(DEPC水代替樣品模板)和陽(yáng)性對(duì)照(相應(yīng)ARGs標(biāo)準(zhǔn)品代替樣品模板)。
表1 本研究所用引物[11-15]Table 1 The primers used in this study[11-15]
采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。其中,數(shù)據(jù)滿足正態(tài)性要求的用Paired-Samplet-test檢驗(yàn),數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性要求的用Wilcoxon檢驗(yàn),比較多個(gè)獨(dú)立樣本的分布差異用Kruskal-Wallis H檢驗(yàn),P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
所有待檢管網(wǎng)末梢水樣的水質(zhì)指標(biāo)均符合我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 5750.12—2006),其中濁度0.1~0.8 NTU、pH 7.8~8.4、余氯0.3~0.7 mg·L-1、電導(dǎo)率278~385 μs·cm-1、氨氮0.35~0.45 mg·L-1、高錳酸鹽指數(shù)0.50~2.85 mg·L-1、菌落總數(shù)均≤1 CFU·mL-1,總大腸菌群、耐熱大腸菌群和大腸埃希氏菌均未檢出。
在待檢的15種ARGs中,除blaKPC未被發(fā)現(xiàn)外,其余ARGs均在管網(wǎng)末梢水中檢出(表2)。其中,iARGs共檢測(cè)出13種,且mcr-1、vanA、blaNDM-1、aadA、blaTEM、sul1、tetM、tetA、dfrA1和katG等10種ARGs在所有水樣中均被檢出,而rpoB1、ermB和catA1只在部分水樣中檢出,qnrA和blaKPC一直未檢出。對(duì)于eARGs,共檢測(cè)出12種,其中,mcr-1、vanA、aadA、blaTEM、sul1、tetM、tetA和dfrA1等8種的檢出率為100%,ermB、katG和blaKPC一直未檢出,而qnrA、blaNDM-1、rpoB1和catA1等4種ARGs僅在部分水樣中檢測(cè)出。因此,天津市管網(wǎng)末梢水殘留細(xì)菌的體內(nèi)外均存在mcr-1、vanA、blaNDM-1、aadA、blaTEM、sul1、tetM、tetA、dfrA1、rpoB1和catA1等11種ARGs污染,其中vanA、mcr-1和blaNDM-1等SARGs尤為值得注意,它們以iARGs和eARGs這2種形態(tài)存在于所有水樣,另外,ermB和katG僅出現(xiàn)在iARGs中,而qnrA僅出現(xiàn)在eARGs中。
天津市中心城區(qū)集中供應(yīng)管網(wǎng)末梢水的ARGs濃度水平如圖2所示,其中,iARGs的相對(duì)濃度是水中iARGs的絕對(duì)濃度與16S rDNA絕對(duì)濃度的比值。由圖2可知,aadA、blaTEM和sul1是天津市管網(wǎng)末梢水的主要ARGs,而在SARGs陽(yáng)性水樣中,vanA和mcr-1濃度較高。對(duì)于iARGs,aadA相對(duì)濃度和絕對(duì)濃度均最高(圖2(a)~2(b)),平均值分別為0.16 GC·L-1和2.6 ×104GC·L-1;其次為blaTEM和sul1,絕對(duì)濃度平均值分別為2.4×104GC·L-1和1.8×104GC·L-1。對(duì)于eARGs,aadA絕對(duì)濃度同樣最高(圖2(c)),平均值為7.4×103GC·L-1,其次為blaTEM(平均值6.5×103GC·L-1)以及sul1(平均值4.2×103GC·L-1)。同時(shí),tetM、tetA、dfrA1、vanA和mcr-1也是天津市管網(wǎng)末梢水中含量較高的基因,各基因的胞內(nèi)濃度平均值為1.9×103~6.9×103GC·L-1,而胞外濃度平均值為2.7×102~1.8×103GC·L-1,以上8種基因總濃度分別占iARGs和eARGs的97.25%和99.18%。
通過(guò)對(duì)比分析,天津市管網(wǎng)末梢水的iARGs總絕對(duì)濃度為eARGs的3.8倍(圖2(d))。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)除了qnrA只在eARGs中被檢出外,同一種ARGs的胞內(nèi)絕對(duì)濃度均高于胞外(P<0.05)。如blaNDM-1的胞內(nèi)絕對(duì)濃度平均值為1.2×103GC·L-1,而胞外含量極低,平均值僅為2.0 GC·L-1;mcr-1的胞內(nèi)絕對(duì)濃度平均值為4.2×103GC·L-1,而胞外濃度僅為266 GC·L-1。
圖2 天津市中心城區(qū)集中供應(yīng)管網(wǎng)末梢水的ARGs濃度(n=18)Fig. 2 The concentration of ARGs in the terminal tap water in city center of Tianjin (n=18)
如圖3所示,各區(qū)水中iARGs總絕對(duì)濃度為5.8×104~1.1×105GC·L-1,且各區(qū)之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)(圖3(a)),但其相對(duì)濃度卻有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)(圖3(b)),其中,河西區(qū)iARGs相對(duì)濃度最高,達(dá)到0.99;紅橋區(qū)最低,河西區(qū)為紅橋區(qū)8倍。同時(shí),不同區(qū)域水中檢測(cè)出的ARGs種類不同。其中,vanA、mcr-1、blaNDM-1、aadA、blaTEM、sul1、tetM、tetA和dfrA1等在各區(qū)水樣均能檢出,rpoB1僅在河?xùn)|區(qū)、河北區(qū)和紅橋區(qū)檢出;ermB僅在河北區(qū)檢出;catA1僅在河西區(qū)檢出。
對(duì)于eARGs,各區(qū)總絕對(duì)濃度為9.9×103~3.6×104GC·L-1,且各區(qū)之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)(圖3(c)),但不同區(qū)域的ARGs種類不盡相同。aadA、blaTEM、sul1、tetM、mcr-1、vanA、tetA和dfrA1等在各區(qū)水樣均能檢出,而qnrA在和平區(qū)、河西區(qū)和河?xùn)|區(qū)檢出;blaNDM-1在和平區(qū)、河西區(qū)和河北區(qū)檢出;rpoB1在和平區(qū)、河西區(qū)和河?xùn)|區(qū)檢出;catA1僅在河?xùn)|區(qū)檢出。
圖3 天津市中心城區(qū)不同區(qū)域集中供應(yīng)管網(wǎng)末梢水的ARGs濃度(n=3)Fig. 3 The concentration of ARGs in the terminal tap water in various districts of city center of Tianjin (n=3)
管網(wǎng)末梢水存在iARGs的污染,其原因可能有以下幾點(diǎn)。(1)水源水本身普遍存在ARGs污染。天津城市供水主要靠引江水和灤水[16]。Zhang等[17]對(duì)15種抗生素及5種ARGs進(jìn)行檢測(cè),在長(zhǎng)江采集的所有水樣中均檢出。王若楠等[18]從長(zhǎng)江水分離出mcr-1攜帶菌,且其耐多粘菌素的半抑制濃度較高。水源水ARGs污染會(huì)增加其在管網(wǎng)末梢造成污染的風(fēng)險(xiǎn)[19]。(2)自來(lái)水存在的抗生素污染促進(jìn)了細(xì)菌產(chǎn)生抗生素耐藥性。張新波等[20]對(duì)天津市供水系統(tǒng)抗生素分布特征進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)無(wú)論是自來(lái)水廠出水還是管網(wǎng)末梢水,都普遍存在6類10種抗生素的污染。(3)自來(lái)水廠處理工藝會(huì)導(dǎo)致ARGs富集。天津市自來(lái)水廠主要采用氯化消毒,而越來(lái)越多的研究表明,氯化消毒在一定條件下加劇ARGs污染,如Shi等[21]發(fā)現(xiàn)氯化消毒后,水中β-內(nèi)酰胺類和四環(huán)素類等ARGs相對(duì)濃度上升,Jin等[7]報(bào)道,氯化消毒可以通過(guò)促進(jìn)質(zhì)粒自然轉(zhuǎn)化而加強(qiáng)ARGs跨細(xì)菌種屬傳播。(4)細(xì)菌消毒劑抗性/抗生素耐藥性的共選擇作用。侯愛(ài)明等[22-23]從氯消毒飲用水系統(tǒng)中收集了150株耐氯存活細(xì)菌,發(fā)現(xiàn)80%氯損傷非苛養(yǎng)細(xì)菌對(duì)抗生素具有多重耐藥性,其機(jī)制可能與細(xì)胞膜藥物外排泵表達(dá)升高有關(guān)。(5)供水管網(wǎng)生物膜對(duì)ARGs的富集。生物膜細(xì)菌通常會(huì)分泌大量聚合物,使管網(wǎng)末梢水中的微生物富集,形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在共同抵御不良外界環(huán)境的同時(shí)更加大了ARGs水平轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)[24]。(6)管網(wǎng)新舊、采樣點(diǎn)與水廠距離等原因也會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域管網(wǎng)末梢水ARGs污染程度不同[25-26]。
同時(shí),在本研究中,我們發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)末梢水普遍存在eARGs污染。eARGs是耐藥菌活體分泌或死后釋放的一種污染物,它們可通過(guò)自然轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)的方式傳遞抗生素耐藥性,且不需要活體供體細(xì)胞[27]。同時(shí),消除這些eARGs比殺死抗生素耐藥菌困難得多[28]。如Roller等[29]報(bào)道,即使被二氧化氯滅活了流感嗜血桿菌(滅活率為6個(gè)對(duì)數(shù)),細(xì)胞內(nèi)DNA仍是完整的膠狀。Jin等[7]發(fā)現(xiàn),盡管耐藥菌在氯化作用后已經(jīng)有效死亡,但它們釋放的eARGs仍保留生物學(xué)活性并可通過(guò)轉(zhuǎn)化進(jìn)入其他細(xì)菌,而且,只有在超高劑量消毒劑使用情況下才能使之完全降解。鑒于eARGs易傳播和難降解的特點(diǎn),管網(wǎng)末梢水中的eARGs污染不容忽視。
值得關(guān)注的是,本研究還發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)末梢水中存在iARGs和eARGs這2種形態(tài)的vanA、mcr-1和blaNDM-1等SARGs。vanA是耐萬(wàn)古霉素的ARGs,同時(shí)還可使細(xì)菌對(duì)環(huán)丙沙星、左氧氟沙星、莫西沙星、青霉素和替考拉寧耐藥性[30],這是較早發(fā)現(xiàn)的多重耐藥SARGs。mcr-1和blaNDM-1是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新型ARGs,前者具有被稱為抵御細(xì)菌耐藥性“最后一道防線”的多黏菌素類抗生素的耐藥能力,后者可使細(xì)菌表達(dá)β-內(nèi)酰胺類抗生素水解酶,對(duì)除多黏菌素外的所有抗生素均有耐藥性[5],故攜帶mcr-1和blaNDM-1的耐藥菌往往無(wú)藥可治。研究表明,SARGs能夠通過(guò)飲用水污染途徑定植到小鼠腸道菌群[4],再加上SARGs兼具易傳播、難降解和多重耐藥的特點(diǎn),水中SARGs污染將對(duì)人類健康產(chǎn)生潛在威脅,因此,管網(wǎng)末梢水中SARGs帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)及公共衛(wèi)生危害應(yīng)當(dāng)引起我們的關(guān)注與重視,這也對(duì)提高國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)、改進(jìn)自來(lái)水廠處理工藝帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
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