文献解读|地表水和地下水中抗生素耐药性的连锁和驱动机制：它们对土地利用和季节变化的响应

文章信息

TITLE：Linkage and driving mechanisms of antibiotic resistome in surface and ground water: Their responses to land use and seasonal variation
译名：地表水和地下水中抗生素耐药性的连锁和驱动机制：它们对土地利用和季节变化的响应
期刊：Water Research
第一作者：张露博士生，计磊硕士生
通讯作者：王智研究员，宁康教授
通讯单位：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，华中科技大学
下载链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118279

亮点

• 地表水和地下水中抗生素耐药基因（ARGs）季节变化不一致。
• 地表水和地下水之间ARGs联系在雨季更密切。
•土地利用对ARGs的影响在地表水和旱季更加强烈。
•土地利用对地表水和地下水产生影响的最佳缓冲区随季节发生变化。
•可移动基因元件（MGEs）介导的随机过程主导抗性基因群落构建。

研究进展

抗生素诱导产生的抗生素耐药基因（ARGs）已成为21世纪全球公认的环境与公共安全问题。地表水和地下水作为重要的水资源由于受到人类活动的影响已成为ARGs污染的热点。尽管地下水和地表水之间存在水文连通性，但地下水中的环境，包括水滞留时间、人为干扰、溶解氧和光照等条件与地表水显著不同。目前对这两种水环境中ARGs污染的区别与联系的认知仍十分有限。土地利用作为人类活动在空间上的系统反映，已被证明是ARGs形成的重要原因。以往的研究主要集中在特定土地利用类型对地表水ARGs的影响，对于不同土地利用类型对地表水和地下水ARGs的联动影响以及规模效应仍不清楚。此外，ARG通常存在于微生物群落中，ARGs分布在很大程度上受微生物群落结构的影响。之前的研究已经证实随机过程和确定性过程影响微生物群落构建，但是地表水和地下水之间ARGs组成和微生物群落的生态过程和形成机制是否有相似性和差异性，以及它们如何应对不同的外部干扰，如土地利用和季节变化，目前尚不清楚。

图1 图形摘要

本研究以江汉平原洪湖流域为研究对象，利用宏基因组技术对流域内地表水和地下水中的ARG污染进行了调查，探讨地表水与地下水中ARGs的污染特征、生态过程与形成机制、及其对土地利用和季节变化的响应问题。研究结果表明，地表水和地下水中ARGs的丰度和多样性在季节上的变化并不一致，并且在雨季地表水和地下水中ARGs之间的关系密切。土地利用对ARGs的影响在地表水强于地下水，而且在旱季强于雨季。有趣的是，土地利用对地表水和地下水ARGs影响最强烈的最佳缓冲区并不相同，地表水的最佳缓冲区为1500m（旱季和雨季），而地下水最佳缓冲区为1000m（旱季）和500m（雨季）。此外，由可移动基因元件（MGEs）介导的随机过程比确定性过程对ARGs群落构建的贡献更大，尤其是在地下水中。最后，依据人类致病菌（HBP）所携带的MGEs上的ARGs风险水平最高，我们基于重叠群分析了ARGs、MGEs和HBP共存情况来评估ARG在地表水和地下水中的潜在风险。研究结果表明无论是旱季还是雨季，地下水中存在的潜在风险更高。
本研究深入了解了季节和土地利用对地表水和地下水中ARGs污染、生态过程及形成机制的影响，并对ARGs所产生的潜在风险进行了评估，有助于制定有效的管理策略，控制复杂人类活动流域内的ARGs污染。

图2 ARGs在地表水和地下水中共存。地表水和地下水在旱季(a)和雨季(b)共存的抗性基因亚型的数量。rpoB2©、OpmH(d)、sul1(e)、arnA(f)的丰度在地表水和地下水中的相关性

图3 土地利用对ARGs的影响。不同季节和空间尺度下土地利用对地表水（a）和地下水（b）中ARGs的解释率

图4 ARGs群落组成的驱动因素。PLS-PMA模型被用于揭示地表水（a）和地下水（c）中土地利用、理化因子、MGEs、微生物群落和ARGs之间的关系。Pro=变形菌门；Act=放线菌门；Bac=拟杆菌门；Fir=厚壁菌门；Cya=蓝藻门。柱状图显示了土地利用、理化因子、MGEs和微生物群落对地表水(b)和地下水(d)中ARGs的影响

图5 ARGs群落构建的生态过程。随机过程在旱季和雨季对地表水和地下水中ARGs群落构建的贡献

END

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