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Nature 系列综述｜抗微生物耐药性的环境影响、监测与缓解

2026-10-22 分类：服务器百科 阅读(8) 评论(0)

摘要

抗微生物耐药性（antimicrobial resistance, AMR）是实现联合国可持续发展目标的重要障碍。环境在AMR的产生与传播过程中具有关键作用。本综述系统总结全球环境中AMR分布格局，剖析其主要来源与驱动因素。基于全球环境宏基因组分析，水体是编码AMR的细菌遗传元件主要传播通道，其中污水贡献最大，其次为淡水系统，土壤作用相对有限。鉴于不同环境介质中微生物组与抗生素耐药基因（antibiotic resistance gene, ARG）的复杂性，体系化监测是理解AMR演化与扩散的前提。为克服既有环境AMR研究的方法异质性，作者提出基于标准化宏基因组的整合监测框架：在资源受限条件下采用最低限度策略获取基础耐药信息，在资源充足条件下采用综合策略开展深度解析。表征环境耐药组（resistome）可识别区域问题并支撑减缓策略设计。作者主张将系统环境监测纳入AMR治理，以阐明来源、传播路径并推动一体化管理扩容。

关键词：抗微生物耐药性（AMR）；抗生素耐药基因（ARG）；环境耐药组（resistome）；宏基因组学（metagenomics）；污水监测；One Health（同一健康）

  • Li, L., Ding, J., Gillings, M. R., Fatta-Kassinos, D., Manaia, C. M., Berendonk, T. U., Blaser, M. J., Topp, E., & Zhang, T. (2026). Environmental impacts, surveillance and mitigation of antimicrobial resistance. Nature Reviews Earth & Environment. https://doi.org/10.1038/s43017-026-00837-4
  • 期刊：Nature Reviews Earth & Environment（2026年度检索口径影响因子约74.1，环境科学/地球科学综合Q1）
  • 在线发表时间：2026年10月7日

研究总结

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环境AMR综述

科学问题

AMR全球分布与来源

环境驱动与传播路径

监测标准化框架

解决方案

最低限度宏基因组策略

综合宏基因组策略

OneHealth数据整合

背景介绍

抗微生物药物用于抑制或杀灭细菌等微生物，是现代医学防控感染的核心工具。AMR上升使相关保护效应受损，估计至2050年耐药感染死亡负担可能超过肿瘤与心血管疾病。AMR与可持续发展目标中的良好健康与福祉、清洁饮水与卫生直接相关，并涉及减贫、零饥饿、负责任消费生产、水下生物与陆地生物等目标。环境不同于临床单点人群，其微生物组受城市化、农业、医疗、工业排放、气候与生态过程共同塑造，存在点源与非点源、水平基因转移、共选择及多介质循环。天然环境本身存在ARG与耐药细菌（antibiotic-resistant bacteria, ARB），但人为活动显著提高其丰度与多样性。作者指出，当前主要障碍并非缺乏AMR研究，而是环境监测方法碎片化、指标不统一、跨区域数据不可比，因而需要以系统化和标准化宏基因组监测重构环境耐药治理。

环境AMR来源

环境AMR由复杂循环关联、多点因果路径与动态交互共同决定。人类与动物使用抗生素及非抗生素化学品，通过点源与非点源进入环境，形成选择压力并放大ARG与ARB。

居民与城市废弃物路径

人口密集居住区若卫生与排水基础设施不足，会产生未经处理或处理不充分的废水与固废。此类排放进入地表水后显著提高ARB与ARG负荷。即使常规污水处理厂可降低抗生素、ARG与ARB浓度，其出水相对于天然水体仍常维持较高绝对量。合流制排水系统在强降雨期间易因处理能力超限发生合流溢流，将未充分处理污水送入河流湖泊，扩大环境暴露。


figure1（legend：汇总环境AMR来源与传输路径。图中包括居民废水、医疗废水、农业养殖废物、制药与工业排放进入水、固废、灌溉、空气颗粒物等介质；箭头表示人类、动物与环境之间的ARB、ARG及可移动遗传元件传播方向，强调污水与径流作为核心联通通道。）

医疗系统排放

医院、护理院等医疗机构使用多种抗生素与消毒剂，可在周边地表水、空气、废水与污水中诱导选择及共选择。相对于居民废水，医疗废水常具有更高浓度与更多类型的抗生素、ARB和ARG，尤其包含多重耐药病原体。少量医疗原水并入市政管网虽体积占比不大，但因临床高风险耐药特征集中，会提升整体监测与管控难度。

农业、水产与养殖来源

动物养殖、作物种植与水产业为抗生素大量使用部门，部分地区监管薄弱使用量进一步上升。畜禽粪便与人源粪便含高浓度ARG、ARB与抗生素残留，作为肥料施用或以受污染废水灌溉，可将耐药特征输入农田及相邻水体。作物直接施用链霉素等抗生素或铜盐等金属的药效与选择贡献尚不完全明确，但农业系统整体构成环境ARG扩增的重要来源。

制药与化工排放

制药与化工设施废水中可同时含有抗生素、杀菌剂、消毒剂、金属及高耐受微生物。未合理使用或废弃的过期抗生素若处置不当，也会形成局部高强度选择环境。该类点源排放浓度高、成分复杂，是环境耐药组研究中需单独识别的污染类型。

环境AMR分布特征

全球数据库与独立样本整合显示，不同介质ARG丰度差异显著。作者汇总污水、淡水与土壤短读长宏基因组资料，用于比较三类介质耐药组负荷。


figure2（legend：全球三类环境介质ARG分布。a为污水部门，b为淡水部门，c为土壤部门；基于GenBank与自建数据集，灰色区域表示无可用数据。纵轴表征ARG丰度或每细胞拷贝数，用于比较污水＞淡水＞土壤的总体梯度。）

水体与沉积物

水是污染物运输主干，也是人类、动物与环境界面联通载体。城市地表水受生活污水、雨污混合与工业排放影响，ARG、可移动遗传元件与化学污染物同步输入。河流与湖泊沉积物可长期蓄积ARB、ARG及移动遗传元件，在养殖环境中尤其表现为进化与再释放热点。极端降雨与洪涝可扰动沉积物，使已埋藏耐药组重新进入水相与周边生态系统。

土壤来源与库效应

土壤本身具有古老ARG背景，但天然丰度通常低于受人为影响系统且更稳定。外源粪肥、生物固体施用及制药废物不合理处置可促使土壤ARG增殖；部分ARG在检测限下维持，受选择性药剂刺激后再扩张。土壤既作为外源ARG接收端，也作为长期储存端，其命运受原生微生物竞争、理化性质与农业管理措施共同控制。

空气与新兴载体

空气具有跨时空扩散能力，可从局地偶然传输扩展至季节与全球尺度，携带ARB与ARG的颗粒物构成重要环境路径。微塑料作为新兴介质，可经生物膜形成局部富集微环境，促进附着细菌聚集、应激耐受与频繁基因交换；城市化程度不同的河流中，微塑料相关ARG负荷随城市输入显著上升。植物表面与人工材质等非常规路径进一步增加介质间连通复杂度。

综合来看，受人为影响水环境是ARG主要传输通道：污水可超过每细胞4.2份ARG拷贝，淡水可超过0.7份，土壤通常低于0.4份。农业土壤ARG主要受当地耕作模式塑造，污水与淡水则更多受卫生基础设施与区域抗生素消费行为影响。

全球环境危机驱动的AMR

微生物同质化与多样性丧失

微生物多样性通过生态位竞争形成对ARB定殖的屏障。平衡被破坏后，少数分类群过度增长，群落可入侵抗性下降，形成有利于ARG扩散的失调状态。农田施用粪肥实验中，原生土壤菌因更适应当地环境可限制外来耐药菌建立；但大范围土地利用改变会削弱该屏障。跨六大洲土壤样本研究显示农业化导致细菌同质化；城市绿地相较自然生态系统具有更相似微生物组，城市空气相较农村空气亦表现更强同质化。多样性下降与人类病原体、特别是临床相关ARB丰度上升存在关联。

figure3（legend：全球环境危机对AMR的驱动框架。a为微生物多样性丧失削弱定殖抵抗；b为土地转化导致土壤微生物同质化；c为城市化与工业化提升抗生素及化学选择压力；d为注册化学品数量与农用杀菌剂、抗菌剂使用增长；e为全球人员、动物与货物连通促进AMR长距离扩散；f为国际旅行相关AMR案例增长。全图强调同质化、污染增强与生态连通三类过程。）

强化型环境污染

城市化与工业化提高人与动物抗生素使用强度，增加残留排放。2000至2015年间部分WHO Watch类抗生素人均使用显著上升；2000年后注册化学品数量快速增加，多重非抗生素污染物与重金属可产生共选择。气候变量如升温、干旱、温室气体浓度变化可增强ARB选择；台风等极端天气通过溢流、淹水与沉积物重悬浮放大传播。低中收入地区因水处理覆盖率与监管能力差异，受有机与病原污染预测影响更重。

增加型生态连通性

区域间人员流动、动物贸易、货物运输与国际航运增加AMR连通性。大型集会、体育赛事与音乐节在缺乏预防设施时可能成为局部传播热点；政治动荡与冲突引发人口迁移，进一步混合区域耐药组。商业船舶压载水可转移微生物，候鸟长距离迁徙提供跨生态区ARB与ARG通道。上述移动网络突破地理边界，使来源追溯与管理复杂化。

环境AMR广泛影响

社会经济影响

AMR相关直接医疗与生产力损失可占全球GDP的2%至3%；长期看，因病程延长、再感染与高价替代治疗，部分区域将承受额外贫困压力。低中收入国家预计承担更高耐药死亡比例，但同时面临有效抗生素可及性不足、监测能力弱与卫生基础设施缺口。农业劳动者、医护人员与贫困群体因暴露路径不同呈现差异化易感性，但国家行动计画常偏重高收入国家语境下的管理与监测，忽视脆弱群体暴露公平。

环境影响

ARB与ARG不同于传统化学污染物，可在环境中复制并通过可移动遗传元件水平转移。亚抑制浓度抗生素即可通过氧化应激、易错聚合酶激活与种群规模效应改变进化轨迹；制药废水等高强度排放则可造成微生物组结构剧变。ARG传播不仅取决于抗生素本身，还受金属、消毒剂、其他药物及微生物互作共选择。环境耐药组只有在回传人类或动物并影响治疗结果时才转化为直接健康危害，因此需用一体化监测识别其由环境向临床外溢的边界。

环境监测重要性与挑战

临床AMR具备优先病原组合与标准化方法，环境AMR则缺乏统一采样、定量与解释体系。污水最接近人与动物排放端，是多数监测研究的入口，但单一污水监测不能还原下游土壤、淡水、空气及再暴露路径。作者认为应从废水拓展至多介质互补监测，并构建定量模型。

废水监测经验

新冠废水监测证明了低成本人群水平监测可行性。欧盟2024年修订《城市污水处理指令》（Directive (EU) 2024/3019）要求一定规模以上污水厂开展AMR监测，WHO亦发布废水与环境监测指导。但方法与数据标准未统一，限制了跨区域One Health比较。

常规与新兴方法

培养法可获指示种如大肠杆菌（Escherichia coli）与药敏表型，便于和临床比对；但环境ARB多不可培养或存在菌株异质，单指示种不足以代表全部ARG。PCR可快速检测已知ARG，但受引物覆盖限制。宏基因组可无偏解析群落、ARG、宿主与可移动元件，但短读长常难以组装ARG完整遗传背景；长读长、Hi-C proximity-ligation、单细包测序与目标捕获可补充宿主归属、质粒连锁与低频变异，但成本与计算需求较高。

figure4（legend：基于宏基因组的标准化环境AMR监测框架。流程包括元数据收集、站点与源—路径—受体设计、样品采集处理与保存、DNA提取与基准物质、短读长总体耐药组分析、长读长解析可移动性与基因组背景；补充信息列出读段法与组装法资源。图中强调最低限度与综合两套策略在样本覆盖、平台与计算资源上的差异。）

方法碎片与定量难题

采样位置、频率、保存、 biomass浓缩、测序深度、数据库与注释算法差异，会造成不同研究间耐药组估计不可比。上游采样与前处理难以事后重做，应优先区域标准化。指标层面，单一高风险ARG、某类抗生素ARG组与整体耐药组指数各有用途，但公共健康相关性未形成共识；定量单位如基因覆盖度、每细胞拷贝数、每16S rRNA拷贝数尚缺统一标准，风险阈值建立需长期基线数据。

环境AMR监测标准化

作者提出以宏基因组为核心的国际协调框架，按区域资源分级实施。

元数据与采样处理

站点选择以源—路径—受体关系为导向，覆盖主要排放源、传输介质与潜在人畜暴露点。背景元数据包括城市化、工业化、养殖、气候、地理与基础设施信息，用于确定区域最低污染基线。样品类型依水、土、气、固废与工程介质分别建立复合采样、保存与biomass收集标准；DNA提取按基质优化，资源充足时并行参考样以量化技术变异，并引入绝对定量内标降低相对丰度偏差。

测序与生物信息

常规监测以短读长平台为基，尽量提高深度。读段法直接将序列比对ARG数据库，适合大样本总体丰度；组装法先拼接contig再注释，适合解析ARG附近可移动元件与宿主，但受覆盖度与低丰度分类限制。Box1比较读段法与组装法：读段法计算轻、可规模化，但短序列误比对新增假阳性；组装法提供遗传背景但耗时、对低丰度菌遗漏多。总体ARG丰度可作为环境AMR基础指标，特定ARG、MGE与病原体依策略另设深度分析。

最低限度与综合策略

最低限度策略面向资源受限区域，优先采集市政进水、受城市或农业废水影响水体等高分信息样本，采用短读长、标准流程、基础实验室与有限时间频率，以总体ARG丰度指导设施改进与初步管控。综合策略覆盖无污染与污染生境，联合水、土、气与工程介质，采用短读长加长读长、Hi-C、靶向捕获等高级平台，开展宿主解析、质粒网络、时间序列与多部门One Health整合。无论哪种策略，DNA宜按高质量长片段留档，以便后续升级长读长分析。

总结

环境AMR不是单一介质问题，而是污水、淡水、土壤、空气、微塑料及人工表面共同参与的循环系统。全球宏基因组证据表明，水尤其是污水是ARG主要枢纽，但土壤长期库、空气远程扩散与养殖点源均不可忽视。微生物多样性下降、化学污染增强与全球连通上升三者叠加，使ARB定殖、水平转移与共选择更易发生。破解该局面需要在上游采样、DNA提取、测序、注释与定量单位上建立标准，并以最低限度策略保障低资源地区基础监测、以综合策略在高资源地区解析移动组与基因组背景。最终数据应按FAIR原则接入人类、动物与环境一体化数据库，支撑排放限值、废水处理升级、农业用药管理、化学品登记与公共卫生干预。忽视环境维度将使AMR治理仅停留于临床末端，无法阻断其从源头到人群的完整传播链。

参考文献

  • Li, L., Ding, J., Gillings, M. R., Fatta-Kassinos, D., Manaia, C. M., Berendonk, T. U., Blaser, M. J., Topp, E., & Zhang, T. (2026). Environmental impacts, surveillance and mitigation of antimicrobial resistance. Nature Reviews Earth & Environment. https://doi.org/10.1038/s43017-026-00837-4
  • WHO. Wastewater and Environmental Surveillance Summary for Antimicrobial Resistance (2025). https://www.who.int/
  • WHO. Integrated Global Surveillance on ESBL-Producing E. coli Using a One Health Approach (2021). https://www.who.int/
  • European Union. Directive (EU) 2024/3019 concerning Urban Wastewater Treatment (Recast). https://eur-lex.europa.eu/
  • GenBank database resources. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/
  • CARD resistance gene database. https://card.mcmaster.ca/
  • ResFinder antimicrobial resistance gene resources. https://genomicepidemiology.org/services/resfinder/
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