抗生素存在下給水管網中細菌抗生素抗性和消毒劑抗性研究進展

邢佳夷 張永吉 周玲玲(.長江水環境教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 0009；.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 0009)

0 引言

自1929年青霉素被發現以來，抗生素得到廣泛應用。然而大部分抗生素不能被機體吸收，殘留在地下水、地表水甚至飲用水中，濃度集中在mg/L級別。水環境中殘留的抗生素，不僅對水生生物造成影響，還會誘導ARB和ARGs產生，通過飲用水或食物鏈等方式對人體健康構成威脅[1]。2011年德國“毒黃瓜”事件、2013年美國圣保羅沙門氏菌感染事件均由ARB引起，它們所攜帶的ARGs成為一種新型污染物。相似的，從20世紀70年代美國軍團菌感染事件開始，細菌對消毒劑抗性也逐漸引起人們重視。

目前對于飲用水中ARB和ARGs的研究多集中在ARB和ARGs在源水中的分布、水處理工藝去除效果等方面，關于細菌消毒劑抗性的研究主要集中在耐氯菌的種類、危害以及消毒效果評價方面。但給水管網中細菌抗生素抗性和消毒劑抗性機制及它們之間的關系尚不明確。本文結合國內外研究進展，就給水管網抗生素、ARB和ARGs的含量、耐氯菌的特性以及消毒劑抗性和耐藥性關系進行綜述，以期為今后進一步研究給水管網中生物耐藥性提供參考。

1 給水管網中細菌抗生素抗性

1.1 給水管網中抗生素污染

給水管網中抗生素含量通常較低，但隨著檢測技術的進步，有關給水管網中抗生素殘留的相關報道越來越多。Gaffney在葡萄牙的飲用水樣品中，檢出包含磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑和紅霉素等7種藥物，濃度在0.09～46ng/L[2]。Ye在美國北卡羅來納州的氯化飲用水樣本中檢出磺胺甲惡唑3.0～3.4ng/L、大環內酯類抗生素1.4～4.9ng/L、喹諾酮類抗生素1.2～4.0ng/L[3]。Ho在我國北京、上海等13個城市不同季節的113個龍頭水中檢出包含磺胺類、大環內酯類等11種抗生素，磺胺二甲基嘧啶濃度超過50ng/L[4]。張練研究了天津市某供水管網中四環素類、喹諾酮類、氯霉素類、大環內酯類以及林可胺類共16種抗生素時空分布特征，管網中單種抗生素濃度最高達8.62ng/L，總濃度在7月份管網起點處達到最高26.6ng/L[5]。Yiruhan在廣州和澳門市政末梢水中檢出氟喹諾酮類抗生素，包括環丙沙星、諾氟沙星、洛美沙星和恩諾沙星，其中環丙沙星濃度最高達679.7ng/L，檢出率77.5%以上[6]。以上研究表明，國內外供水管網中抗生素痕量存在已成為普遍現象，且其污染情況在時間和空間上存在差異[5]，并受降雨季節影響[6]。

1.2 給水管網中ARB和ARGs污染

目前ARB和ARGs被發現在水源水中廣泛存在，水處理廠的消毒工藝以及長距離管網輸送中的復雜反應，促進了細菌耐藥性的增加和ARGs的富集。Prabhat等在孟加拉國達卡市的175個龍頭水中檢測出57%的抗氨芐西林大腸桿菌、45% 的抗四環素大腸桿菌，超過73%的大腸桿菌為雙抗菌[7]。Xi等對美國密歇根州和俄亥俄州部分地區管網水的檢測中發現大部分ARGs的濃度較出廠水增加明顯，其中利福平抗性菌占細菌總數的比例最高達82%[8]。王青等發現以九江下游水為源水的供水管網中存在四環素類抗性基因tetA、tetG、大環內酯類抗性基因ermB和萬古霉素類抗性基因vanA，其中tetA和ermB濃度較出廠水下降，tetG和vanA反之[9]。以上研究表明，管網中ARB和ARGs的污染現象較普遍，管壁生物膜復雜的外聚物及空間組織成為ARGs從一個宿主細菌到另一個宿主細菌水平轉移的極佳環境條件，可能會增加細菌額外的抗生素耐藥性風險，引起細菌群落的遷移，促進ARB的生長和ARGs的水平傳播[10,11]。

2 給水管網中細菌消毒劑抗性

消毒劑抗性菌指在常用消毒劑濃度作用下，甚至在較高余氯濃度條件下仍不能被殺滅的菌株。Langsrud認為如果某個(或某種)微生物能夠比其他微生物在更高的氯消毒劑中存活或生長，就說明該微生物具有更高的耐氯性[12]Staphylococcus spp. 13%。我國《生活飲用水衛生標準GB 5749—2006》規定氯消毒與水接觸30min以后，水中的自由氯不應低于0.3mg/L。因此，通常認為能夠在0.3mg/L以上的余氯系統中存活30min以上的細菌稱為耐氯菌。

2.1 給水管網中的耐氯菌

耐氯菌的存在對飲用水安全提出了挑戰。一方面有些耐氯菌本身就是病原菌或條件致病菌，如分枝桿菌、軍團菌、銅綠色假單胞桿菌等，它們進入管網后會引起介水傳染病的風險；另一方面，某些非致病性耐氯菌在管網中以生物膜或懸浮狀態長期存在，導致龍頭水細菌總數超標等問題。在我國南方某自來水管網中富集分離出7株耐氯菌，包括類龜分支桿菌、血紅鞘胺醇單胞菌和甲基桿菌，其中類龜分枝桿菌耐氯性最強，使用自由氯滅活99.9%時CT值為120mg/L·min，是金黃色葡萄球菌的260倍[13]。Wang等在美國弗吉尼亞州的兩個典型氯胺消毒管網中發現分枝桿菌，其檢出率100%[14]。Liu對廣州和北京供水管網的生物膜群落結構檢測中發現，生物膜中分枝桿菌的種群多樣性很低，M.arupens和M.gordonae是主要種群，且M.arupense比M.gordonae更耐受氯化物消毒劑[15]。以上研究表明，在給水管網中普遍存在著耐氯性細菌。

2.2 細菌對消毒劑的抗性機制

細菌對消毒劑的抗性一方面表現為由微生物本身的特殊結構或性能所致的固有性抗性，另一方面是在長期與消毒劑的相互作用過程中，通過各種途徑得到的獲得性抗性。目前消毒劑抗性機理歸納起來包括：生物膜的形成、表面滲透性改變、主動外排系統，以及酶失活等。

①生物膜的形成。大量研究表明吸附于生物膜的微生物對于消毒劑的抵抗能力比懸浮生長的微生物強很多，在實際供水管網中，生物膜中的細菌群體還可以產生協同抗消毒劑作用[10]。②細菌細胞膜的結構與成分改變導致通透性改變，從而阻礙消毒劑進入細胞發揮其原有濃度作用效果。③主動外排系統依靠轉運蛋白，將消毒劑等運出細胞以降低其濃度，例如大腸桿菌的EmrE泵。④細菌還可以通過產生抵抗或降解消毒劑的酶從而產生消毒劑抗性。

3 細菌抗生素抗性和耐氯性的關系

抗生素與消毒劑同屬于具有特殊抑殺微生物作用的化學物質，它們對微生物的作用機制有很多相同或相似之處。抗生素通過破壞或抑制細菌細胞壁的合成、影響細菌DNA或者RNA的復制影響蛋白質的合成或代謝途徑等機制對細菌發揮作用。消毒劑的作用機制則還包括電荷相互作用、物理因素和化學反應[16]。

細菌對消毒劑產生耐受性與其對抗生素產生耐藥性存在一定關系。Thorrold發現家用含氯抗菌清潔劑的使用能提高沙門氏菌和大腸桿菌對氟喹諾酮類和四環素類抗生素的耐藥性[17]。孫利群發現3株臨床分離的多重耐藥大腸桿菌對含氯消毒劑均具有一定的抗性[18]。對消毒劑產生抗性的細菌對抗生素也可能產生耐藥性，部分耐藥菌對某些消毒劑也具有一定抗性，即細菌對消毒劑與抗生素存在交叉抗性，例如在金葡菌家族中PSK1質粒既有編碼對溴乙錠、季胺類抗性的qacA基因，又有抗生素耐藥基因Gmγ、Gmγ、TMγ、Kγ、Trγ等[19]。但也有學者發現兩者抗性機制不盡相同，例如與耐藥菌修飾或改變抗生素作用靶位點從而產生耐藥性的機制不同，消毒劑對細菌細胞可以有多個作用位點，改變某一個靶點一般不能夠引起抗性作用[13]。

4 研究展望

綜上所述，給水管網中細菌抗生素抗性和耐氯性須要得到關注。一方面對于細菌抗生素抗性和耐氯性機制的研究還需進一步深入，同時進一步優化現有消毒方法，防止消毒劑長期選擇作用下細菌多重耐藥性的產生。我國現行飲用水標準中僅有菌落總數、腸球菌數等少量微生物指標，對于抗生素濃度、ARB和ARGs含量以及其它耐氯菌的規定尚不明確，建議國家相關部門結合國際情況和國內外研究動態，開展專項監測和風險評估，為我國飲用水衛生標準的制定、發展和健康影響評價提供技術儲備。