污水、河水和土壤 – 对抗抗生素耐药性的遗留线索
在过往推送里，IWA国际水协会微信公众号和读者分享过很多欧盟地平线2020计划的水处理研究项目。今天，我们将和大家介绍欧盟地平线研究创新计划的官方电子杂志《HORIZON》。除了水处理，在这个杂志中还能看到其他领域时下热门的科研项目，例如下图提到的“CRISPR治疗镰刀形细胞贫血症”的最新进展。本期微信推送里将和大家分享HORIZON杂志上发表的一篇有关抗生素耐药性的文章，同时也会扩展介绍一下目前污水处理厂微生物抗生素耐药性的研究概况。
抗生素耐药性是一个顽固的敌人，如果你觉得少开店药，或者让科学家研发新药就能打败这个敌人，那你就太天真了。也许问题根源不在医学，而是在河流和土壤的管理上。
这是科学家在过去十年里持续跟踪研究得到的观点，他们发现了河流和污水中的抗生素耐药性细菌（ARB）的数量让人担忧。他们正在研发量化分析技术来量化这方面的风险，并促使政策制定者采取相应措施。
图2. 在一些欠发达国家或地区，用污水灌溉农田可能会诱发抗生素耐药性风险 | 图片版权：SuSanA 秘书处
英国伯明翰大学的Willem van Schaik教授是微生物学与感染学方面的专家。他认为人类的粪便和尿液是抗生素残留物进入环境的一种载体，而且除了残留药物，一些可引起疾病的细菌也会一同坐上这趟顺风车，而且其中不少已经有耐药性。
在一些欠发达国家或地区，超过80%的生活污水未经处理就排放进入环境。Blaise Bougnom博士是喀麦隆雅温得大学的一名环境微生物学家，他最近一直在喀麦隆首都雅温得整理污水的去向路线：人类的排泄物通常直接进入城市的河道，城市农民从那里取水灌溉农作物，而后者是城市居民关键的蔬菜供应来源。
“都市农业”在发达国家是个非常高大上的概念，但其实所谓的都市农场在欠发达国家却并不是那么光鲜：很多菜地就在公路边上，紧挨着排水沟渠、交通环岛和公园；一个城市40%的食物供应和高达90%的蔬菜供应可能就来自这些“路边菜地”。Bougnom博士在伯明翰大学读书期间就开始对喀麦隆几个城市的污水灌溉问题进行了研究。他对水样进行基因分析，发现许多基因与引起腹泻的细菌有关，同时也发现许多基因与抗生素抗性相关，其中包括80多个易于在细菌和质粒之间传播转移的已知基因。不同城市的比较显示，用污水灌溉的菜地的抗生素和耐药性基因数量更多。他说：“这真的是个悲伤的故事，原来都市农业应该是为解决问题而生的，实际上却带来了更多的问题。”
此外，医院是耐药性污水的另一个潜在源头。Van Schaik教授表示，总的来说，医院的抗生素使用率整体偏高，因此医院产生的废水的相关负荷自然不会低。“你可以将医院的污水处理系统想象成一条管道，管壁布满了整个细菌生态系统，”Van Schaik教授说，“这个生态系统自行优化，能够适应高抗生素浓度的进水。”
Bougnom博士表示，雅温得医院的抗生素耐药性感染病例已经到了值得警惕的水平。“我和医生们讨论过，”他说，“我开始发现临床现状与我们环境之间可能存在某种关联。因此我成立了这个项目来研究污水传播抗生素耐药性(AMR)的潜在性。”
图3. 医院的抗药性| 图源：美国CDC AR报告2019
但未知的东西还很多，包括确定医院污水中的抗生素浓度以评估问题的严重程度。Van Schaik教授和他的基因组学专家同事Lisandra Mendoza博士打算从基因学入手，通过研究这些细菌的遗传物质来寻求突破。他们的研究项目也纳入了欧盟地平线2020计划：名为ARCS的项目（Antibiotic Resistance genes in Clinical Sewage microbiomes的缩写）从2019年8月开始进行，为期两年，目标是研究医院废水中的抗生素抗药性基因的分布和传播情况。
Mendoza博士通过分析医院污水中发现的各种细菌和病毒的DNA，在尝试寻找与抗性转移相关的基因，特别是发生在细菌和噬菌体之间的转移（噬菌体这种病毒可以在细菌之间转移遗传物质）。只有了解这些抗性基因的转移机理，才能更好地评估医院污水的抗性风险。她还将不同医院的污水数据输入到机器学习模型中，以推断特定情况下的抗性风险水平。
目前还没有不同环境中抗生素抗性横向比较的标准化方法，伯明翰大学团队的这个方法如果验证成功，它还可以用来跟不同来源的风险进行比较，例如和药厂或医院邻近的河流、运河或者灌溉用水。无论结果如何，他们的研究起码能给我们人类提供多一些线索来应对和抗生素的这场持久战。
与传统分析方法的数据不同，宏基因组学得到的原始数据可重复用于其他问题的研究。随着日后更多抗性基因的出现，科学家可以重新分析这些开源的原始数据，从而快速弄清这些基因出现和传播的机理和途径。
这个项目的通讯作者Frank Aarestrup教授表示：“污水厂是相对快速、低成本地发现细菌的渠道，因为收集和分析污水不需要写伦理申请书，不会泄露个人信息，但它里边的很多参数能帮助我们建立一个监控系统。”他指的系统是一个可以实时交流和分析数据的平台，而且不仅仅局限于抗生素抗性检测，还能更好地预防埃博拉、麻疹、霍乱等疾病的跨国传播。
随着宏基因组分析成本越来越低，数据积累的速度也将加快，相信污水处理厂这个信息宝库还有很多惊喜等待我们的发现。