文章題目：Wastewater-based analysis of antimicrobial resistance at UK airports: Evaluating the potential opportunities and challenges

期刊：Environment International

發(fa)表時間：2025年1月

研究背景

抗菌(jun)(jun)素(su)耐藥(yao)性(xing)（AMR）是(shi)重大全球公共衛(wei)生(sheng)威脅(xie)，其(qi)細菌(jun)(jun)分布、豐度和多(duo)樣性(xing)在(zai)地理區域之間(jian)存在(zai)顯著(zhu)差異，受到(dao)健康、社會(hui)經濟和環(huan)(huan)境等一(yi)系列因素(su)的(de)影響，跨境旅行(xing)加速了(le)(le) AMR 細菌(jun)(jun)全球傳播(bo)，因此(ci)，迫切需要全面(mian)了(le)(le)解(jie)AMR病原體全球分布和國(guo)(guo)際傳播(bo)的(de)動力學。人(ren)類廢(fei)水(shui)(shui)(shui)是(shi) ARG 傳播(bo)的(de)環(huan)(huan)境庫，不(bu)過各國(guo)(guo) AMR 監測(ce)存在(zai)差異，實(shi)施(shi)有(you)效(xiao)全球監測(ce)有(you)挑戰。機(ji)(ji)場作(zuo)為微生(sheng)物群落(luo)聚(ju)集樞(shu)紐(niu)，基于廢(fei)水(shui)(shui)(shui)的(de)流行(xing)病學為全球 AMR 監測(ce)提(ti)供(gong)新方法。2024 年全球航空旅行(xing)或對 AMR 傳播(bo)貢(gong)獻(xian)重大，此(ci)前研(yan)究表明旅行(xing)者攜帶耐藥(yao)細菌(jun)(jun)風險(xian)高(gao)，對飛機(ji)(ji)廢(fei)水(shui)(shui)(shui)的(de)研(yan)究顯示其(qi)可反映(ying)不(bu)同地區 ARG 情況，還(huan)可能是(shi) “外源(yuan)性(xing)” AMR 細菌(jun)(jun)進入(ru)當(dang)地水(shui)(shui)(shui)循(xun)環(huan)(huan)的(de)途徑。目前對飛機(ji)(ji)廢(fei)水(shui)(shui)(shui)的(de)研(yan)究處(chu)于起步階段，本研(yan)究旨在(zai)評估其(qi)在(zai)全球 AMR 監測(ce)中的(de)效(xiao)用，在(zai)英國(guo)(guo)三個國(guo)(guo)際機(ji)(ji)場多(duo)點采樣，用高(gao)通量 qPCR 和宏基因組測(ce)序分析，這種雙重方法既提(ti)供(gong)了(le)(le)已知抗性(xing)基因的(de)靶向定量，又提(ti)供(gong)了(le)(le)對整個抗性(xing)組組成的(de)更廣(guang)泛視角。

研究思(si)路

采樣地(di)點

在(zai)新冠(guan)肺炎大(da)流行期間，對(dui)英國布里斯托爾機(ji)場(chang)(chang)、愛(ai)丁(ding)堡機(ji)場(chang)(chang)和(he)倫敦希(xi)思羅機(ji)場(chang)(chang)的廢(fei)(fei)水(shui)進行取樣。研究期間，乘客入(ru)境英國不受(shou)限(xian)制，無論是否接種疫苗(miao)，未接種疫苗(miao)旅客抵達時(shi)也無需檢測或隔離。現場(chang)(chang)廢(fei)(fei)水(shui)取樣由外部合作者與當地機(ji)場(chang)(chang)工作人員協調(diao)進行，希(xi)思羅機(ji)場(chang)(chang)、布里斯托爾機(ji)場(chang)(chang)、愛(ai)丁(ding)堡機(ji)場(chang)(chang)有限(xian)公司等三家(jia)機(ji)場(chang)(chang)公司授予采(cai)樣授權。

樣品采集(ji)和理化分析

2022 年 3 月 8 日至 31 日，從英國布里(li)斯托爾、愛丁(ding)堡和(he)倫敦(dun)希(xi)思羅機場(chang)共收集 158 個樣本，同時(shi)測(ce)量廢水電導(dao)率、pH 值、濁度(du)、銨和(he)正磷酸鹽濃度(du)。

布里(li)斯托爾機場：從到達(da)航(hang)站樓下水道檢(jian)修(xiu)(xiu)口（BRS-A）、機(ji)場(chang)整體下水道檢(jian)修(xiu)(xiu)口（BRS-WA）及入境飛機(ji)服(fu)務的真空卡(ka)車存放(fang)地(di)檢(jian)修(xiu)(xiu)口（BRS-IA）取(qu)樣，自(zi)動取(qu)樣器在每(mei)次廢水排放(fang)事件采(cai)集單個(ge)(ge)樣本，每(mei)個(ge)(ge)樣本為 4-7 個(ge)(ge)入境航(hang)班(ban)廢水混(hun)合(he)物；

愛丁堡機場：從國(guo)際航站樓下水(shui)道(dao)檢修(xiu)口（EDI-T）、真空卡車(che)存放地泵站（PS）及機場污水(shui)處(chu)理廠(chang)取樣；

倫敦希思羅機(ji)場：從(cong)中(zhong)央航站區下水(shui)(shui)道檢(jian)修口（LHR-CT）及采樣(yang)當天收集 10 架飛(fei)機廢水(shui)(shui)的真(zhen)空卡車(che)（LHA-IA）取樣(yang)。

廢水(shui)DNA提取

廢水樣本在收集(ji)后儲存(cun)在-80℃下，提取時(shi)解凍(dong)。使用(yong)改良的FastDNA?SPIN土壤試劑盒（MP Biomedicals，Santa Ana，CA）從顆粒(li)中提取DNA。然后將100μl DNA提取物儲存(cun)在-20℃下，備用(yong)。

高通量qPCR

HT qPCR檢測共(gong)使(shi)用了96組引物(wu)，靶(ba)向ARG（76個基(ji)(ji)因(yin)(yin)）、移動(dong)遺傳元(yuan)件（MGE，10個基(ji)(ji)因(yin)(yin)）、病原體（5個基(ji)(ji)因(yin)(yin)）和(he)5個其他(ta)基(ji)(ji)因(yin)(yin)，包(bao)括那些重金屬抗(kang)性的(de)(de)基(ji)(ji)因(yin)(yin)和(he)用于標準(zhun)化的(de)(de)16S rRNA基(ji)(ji)因(yin)(yin)。這些靶(ba)點是根據威爾(er)士公(gong)共(gong)衛生(sheng)部專業抗(kang)菌化療部門的(de)(de)建議選擇的(de)(de)，包(bao)括廣泛的(de)(de)臨床(chuang)相(xiang)關ARG。將DNA提取物(wu)使(shi)用SmartChip?實時PCR系統進(jin)行基(ji)(ji)因(yin)(yin)定量。

宏基因組文庫的構(gou)建和測(ce)序(xu)

對(dui)來自LHR-IA、LHR-CT和BRS-IA的30個廢水樣本的子集（表1）進行了宏基因組分析。

表1：布里斯托爾(er)（BRS）、愛(ai)丁堡（EDI）和(he)倫敦希(xi)思羅（LHR）機場(chang)廢水取樣情況。

序列數據的(de)生物信息學(xue)分析

統計分析(xi)

研究結果展示

ARG的相對豐度

對(dui)于每個樣(yang)本中的16S rRNA基因(yin)， 通過HT-qPCR技術(shu)對(dui)樣(yang)本中ARG豐度(du)定量發現（圖1.A）：

機場(chang)間差異：布里斯托(tuo)爾(er)機場(chang)（BRS）ARG平均總相對豐度顯著高于愛丁堡（EDI）和(he)倫敦希思羅機場(chang)（LHR）（單因素方差分析，p<0.01）。

樣本(ben)類型差(cha)異(yi)：希思(si)羅機(ji)場(chang)飛機(ji)廢水(shui)樣本(ben)（LHR-IA）ARG相對(dui)豐(feng)度顯著(zhu)高(gao)于航站樓樣本(ben)（Welch t檢驗(yan)，p<0.05），布里斯(si)托爾(er)機(ji)場(chang)不同來源樣本(ben)無(wu)顯著(zhu)差(cha)異(yi)；愛(ai)丁堡污水(shui)處理廠ARG相對(dui)豐(feng)度顯著(zhu)低于機(ji)場(chang)樣本(ben)（Welch t檢驗(yan)，p<0.05）。

HT-qPCR分析

航(hang)站樓(lou)廢水：大環內酯類、林可酰胺類和鏈(lian)菌素（MLS）抗性基因(yin)豐(feng)度高(gao)（圖1.B）（與愛丁堡污水處理廠(chang)水平相近），布里斯托爾(er)機場不(bu)同航(hang)站樓(lou)樣本(ben)中(zhong)，ermB（BRS-WA）和 mrsE（BRS-A）基因(yin)豐(feng)度差異顯著（Welch t 檢驗(yan)，p<0.01）。

飛(fei)機廢水：布(bu)里斯托(tuo)爾和希思羅機場飛(fei)機廢水樣(yang)本中四環素抗性基因(yin) tetM 豐(feng)(feng)度(du)顯著高(gao)于航站樓（Welch t 檢(jian)驗(yan)，p<0.01），MLS 抗性基因(yin)豐(feng)(feng)度(du)更(geng)低（Welch t 檢(jian)驗(yan)，p<0.01）；愛丁堡機場樣(yang)本（EDI-PS）未呈現(xian)類似差(cha)異，其(qi) qacF 基因(yin)（編碼(ma)多(duo)藥外排泵）豐(feng)(feng)度(du)相對(dui)較高(gao)。

圖(tu)(tu)1. （A） 顯(xian)示相對(dui)于16S rRNA基因(yin)的(de)ARG總豐度的(de)箱形圖(tu)(tu)。（B） 堆疊(die)條形圖(tu)(tu)顯(xian)示了飛機和(he)機場(chang)相關廢水樣本中HT-qPCR靶抗(kang)菌(jun)藥物(wu)耐(nai)藥基因(yin)（ARG）的(de)相對(dui)豐度。除入境飛機外，相對(dui)豐度是每個廢水源所有樣本的(de)平均值。

宏基因組(zu)分析結(jie)果

數據特征：樣(yang)本平(ping)均輸(shu)出 204122個reads，86% 具有抗微(wei)生物能(neng)力；希思羅航站樓樣(yang)本（LHR-CT）ARG 曲線與 HT-qPCR 結果(guo)一(yi)致(zhi)，飛機樣(yang)本（LHR-IA）抗性譜差(cha)異較(jiao)大(da)。

基因聚類(lei)與差(cha)異(yi)表達：分層聚類顯示 LHR-CT 和(he) LHR-IA 抗性(xing)體形(xing)成不同簇，ALDEx2 分析證實 mefA 和(he) tet16A 在(zai)航站(zhan)樓樣(yang)本(ben)中更豐富，tetM 和(he) ermT 在(zai)飛機廢水樣(yang)本(ben)中更高；飛機樣(yang)本(ben)抗性(xing)簇與地理無強關聯（圖2）。

副抗性組差異：LHR-CT 樣(yang)本(ben)中(zhong)(zhong)附件抵抗體(ti)占比（19±6.0%）顯著高于 LHR-IA（11±3.7%，Welch t 檢驗，p<0.01），LHR-IA 樣(yang)本(ben)中(zhong)(zhong)苯尼考(kao)抗性基因(yin)相對豐度(du)極(ji)高。

圖2. 集群抗性組(zu)熱圖顯示了宏基因(yin)組(zu)廢水(shui)樣本子集中50個最豐(feng)富的抗菌(jun)藥物抗性基因(yin)（ARG）的對數轉換豐(feng)度。

ARG的Alpha多(duo)樣(yang)性

HT-qPCR 檢測(ce)覆蓋度：

在廢水(shui)抗性體中(zhong)平均檢測(ce)到 79 個靶 ARG 中(zhong)的 66 個，僅(jin) blaOXA-23 和(he) VEB 在所有樣本中(zhong)均未檢出。

宏基因組分(fen)析的 ARG 數量與多樣性：

飛機樣本對(dui)比：倫敦希思(si)羅機場(chang)飛(fei)(fei)機廢水（LHR-IA）中(zhong)檢測到的 ARG 數(shu)量顯著高(gao)于布里斯托(tuo)爾機場(chang)飛(fei)(fei)機廢水（BRS-IA）（Welch's t 檢驗(yan)，p<0.01），但兩(liang)者(zhe)的 Shannon 多樣性指數(shu)無顯著差異（p=0.1979）。

地區航班差異：來自非洲和亞(ya)(ya)洲的航班攜帶的 ARG 數量高于(yu)北美和歐洲航班，其中亞(ya)(ya)洲與(yu)歐洲航班的差(cha)異顯著（Welch t 檢驗，p<0.01）（圖(tu)3）。

航(hang)站樓樣(yang)本（LHR-CT）與飛機(ji)樣(yang)本（LHR-IA）的(de)(de) ARG 多(duo)樣(yang)性（觀(guan)察(cha)指數和(he) Shannon 指數）無(wu)顯著差異（p=0.8306 和(he) 0.7785），但 LHR-IA 中獨特 ARG 總數更高（202 個 vs. LHR-CT 的(de)(de) 182 個）。

圖3. 全球區域對入(ru)境(jing)飛機廢(fei)水(shui)宏基因組分析中發現(xian)的(de)抗菌藥(yao)物耐藥(yao)基因（ARG）總數的(de)影響。

ARG的Beta多樣性(xing)

不同機場廢水抗性體聚類特征(zheng)：

布(bu)里(li)斯托爾與倫敦機場：廢水抗性體(ti)按來(lai)源(yuan)呈現顯(xian)著(zhu)聚集（PERMANOVA，p<0.01），其中(zhong)倫敦樣本經(jing)宏基因組(zu)分析也顯(xian)示按來(lai)源(yuan)聚類明確（圖4.A、C）。

布(bu)里斯(si)托爾機場：與(yu)航站樓樣本(ben)（BRS-A、BRS-WA）相比，飛機(ji)廢(fei)水樣本(ben)（BRS-IA）的抗性組異質(zhi)性更高（圖4.A）。

愛丁堡機場(chang)：廢水抗(kang)(kang)性(xing)體未觀(guan)察到明顯的來源聚類（PERMANOVA，p>0.05）（圖 4.B），其泵站樣(yang)本（EDI-PS）抗(kang)(kang)性(xing)特征與(yu)布里(li)斯托爾、倫敦的飛機廢水差異顯著（p>0.01）。

跨機(ji)場對比：

1.航(hang)站樓來(lai)源的廢水抗性體(ti)均按(an)來(lai)源顯著聚集（PERMANOVA，p<0.01）。

2.倫敦與(yu)布(bu)里斯托(tuo)爾的(de)飛機廢水(shui)抗(kang)性(xing)體未按來(lai)源聚類（PERMANOVA，p=0.06），且與(yu)愛丁(ding)堡泵站樣本的(de)抗(kang)性(xing)特征無顯著關聯。

圖4. 基于Hellinger轉換的ARG相對(dui)豐度的Bray-Curtis相異(yi)矩(ju)陣的PcoA排序圖，顯示了（A）布里斯托(tuo)爾、（B）愛丁堡(bao)和(he)（C）倫敦希思羅(luo)國際機(ji)場廢水樣本之間的抗菌藥物抗性基因(yin)（ARG）組成差異(yi)。

ARGs與潛在影響因素的相關性

整(zheng)體說明作用：基于距離的(de)冗余分(fen)析（RDA）顯示，廢水物(wu)理化學性質對(dui)廢水抗性體(ti)組成具有顯著(zhu)總體(ti)說明作用（調整(zheng)后R2=0.38，p<0.01）（圖5），其中銨濃度影響最大。

不(bu)同機場銨含(han)量差異顯著：愛丁堡機場(chang)樣(yang)(yang)本(ben)（如EDI-T）銨含(han)(han)量最低（44.7 mg N·L?1），倫(lun)敦(dun)希(xi)思羅航(hang)站(zhan)樓(lou)（LHR-CT）和(he)布里(li)斯托爾機場(chang)到(dao)達航(hang)站(zhan)樓(lou)（BRS-A）樣(yang)(yang)本(ben)銨含(han)(han)量最高（分別為127.9 mg N·L?1和(he)122.3 mg N·L?1）。

樣本來源間的變量差(cha)異：希思(si)羅機場飛機廢水(shui)樣(yang)本（LHR-IA）的 pH 值(zhi)、電導率(lv)、正磷酸鹽濃度和濁度顯(xian)(xian)著高(gao)于航(hang)站樓樣(yang)本（LHR-CT）（Welch t 檢驗，所有(you)比較p<0.01），顯(xian)(xian)示不同來源樣(yang)本的理化性質存在明顯(xian)(xian)區分(fen)。

ARGs基因與理化性質、可移動遺(yi)傳元件(jian)和HT-qPCR目標病原體的關聯

整(zheng)合酶基因(yin)相關性：整合酶基(ji)因intI3和intI1與抗(kang)生(sheng)素抗(kang)性基(ji)因（ARGs）存在(zai)強(qiang)顯著正相關（ρ>0.7，p<0.01），表明(ming)可移(yi)動(dong)遺傳元件對 ARG 傳播可能有重要(yao)影響。

病原(yuan)體與理化性質關(guan)聯弱：ARGs 與(yu)病原(yuan)體(ti)或其(qi)他理化性(xing)質（除銨濃度外）的直接(jie)關聯較弱，未發現顯(xian)著(zhu)強相關性(xing)（圖 S6）。

圖5. 基于距離的(de)冗余(yu)分(fen)析（dbRDA）顯示了環境變量對(dui)機(ji)場相關廢(fei)水樣本中抗菌藥物耐藥基因（ARG）譜的(de)影響。

微生物(wu)群落與(yu)病原分(fen)析

微(wei)生物(wu)群落組成與多樣性

分類與優勢菌(jun)群：

宏基(ji)因組 Kraken 分析顯(xian)示(shi)，每(mei)個樣(yang)(yang)(yang)本(ben)平均輸出39990814個分類單(dan)元，96% 歸類為(wei)細(xi)菌(jun)(jun)。在LHR樣(yang)(yang)(yang)本(ben)之間(jian)的微生(sheng)物群(qun)落多樣(yang)(yang)(yang)性方面沒有觀察到顯(xian)著差異（觀察到：p=0.5，Shannon-p=0.5），所有樣(yang)(yang)(yang)本(ben)均以厚壁(bi)菌(jun)(jun)門(men)為(wei)主(zhu)（主(zhu)要屬于腸球菌(jun)(jun)科(ke)）（圖6.A）。希思羅機場（LHR）樣(yang)(yang)(yang)本(ben)的微生(sheng)物群(qun)落組成按來(lai)源顯(xian)著聚(ju)集（PERMANOVA p<0.01）（圖6.B），航站樓廢水（LHR-CT）中變形桿菌(jun)(jun)門(men)更豐(feng)富(fu)，這是由于 Comamonadaceae 科(ke)及低(di)豐(feng)度家族豐(feng)度明(ming)顯(xian)更高（Welch t 檢驗，p<0.01）。

圖6.（A） 堆疊(die)條形圖顯示了(le)(le)宏基(ji)因(yin)組(zu)廢(fei)水樣本子集（B）中分類(lei)(lei)群的相(xiang)(xiang)對豐度。基(ji)于(yu)Hellinger轉換的分類(lei)(lei)群相(xiang)(xiang)對豐度，Bray-Curtis相(xiang)(xiang)異性(xing)矩陣的PcoA排序圖顯示了(le)(le)倫敦希思羅廢(fei)水樣本之(zhi)間的分類(lei)(lei)組(zu)成(cheng)差異。

機會病原體檢測結果

檢出率與分(fen)布差異：金黃色葡萄球菌在(zai)所有樣本中均未檢出，其余四種目標病原(yuan)體（鮑(bao)曼(man)不動桿菌、肺炎克(ke)雷伯菌、銅綠假單胞菌、腸球菌）均有檢出，其中鮑(bao)曼(man)不動桿菌檢出率最高(gao)（141/180）。

機(ji)場間差異：鮑曼不動桿(gan)菌(jun)(jun)在(zai)布里斯(si)托爾機(ji)場(chang)（BRS）樣本(ben)中相對豐(feng)度最高，肺炎克(ke)雷(lei)伯(bo)菌(jun)(jun)在(zai)希(xi)思羅機(ji)場(chang)（LHR）樣本(ben)中最高（單(dan)因素(su)方(fang)差(cha)分(fen)析(xi)均p<0.01）。銅綠假單(dan)胞菌(jun)(jun)豐(feng)度在(zai)機(ji)場(chang)航(hang)站樓(lou)間(jian)無顯著差(cha)異（單(dan)因素(su)方(fang)差(cha)分(fen)析(xi)p=0.06，f=2.794；圖7）），但在(zai)飛機(ji)樣本(ben)中顯著高于航(hang)站樓(lou)（Welch t 檢驗，p<0.05），腸(chang)球菌(jun)(jun)僅在(zai)EDI樣本(ben)中檢測到。

樣本類型差異：鮑(bao)曼(man)不動桿(gan)菌(jun)在機(ji)(ji)場(chang)（航站(zhan)樓 、污(wu)水(shui)處理(li)廠）廢水(shui)中(zhong)(zhong)的(de)相對豐度(du)(du)顯著(zhu)高于(yu)飛機(ji)(ji)樣(yang)(yang)本（Welch t 檢(jian)驗，p<0.05）。腸球菌(jun)僅(jin)在愛(ai)丁堡機(ji)(ji)場(chang)（EDI）樣(yang)(yang)本中(zhong)(zhong)檢(jian)測(ce)到，且(qie)在泵站(zhan)樣(yang)(yang)本（EDI-PS）中(zhong)(zhong)的(de)豐度(du)(du)顯著(zhu)低(di)于(yu)國際航站(zhan)樓（EDI-T）和污(wu)水(shui)處理(li)廠（EDI-WWTP）樣(yang)(yang)本（單因素方(fang)差分析p<0.01，f=9.122）。

圖7. 箱形圖顯示了(le)飛機(ji)和機(ji)場(chang)相關廢(fei)水樣本中HT-qPCR靶病原體的相對豐度。

潛在ARG主機的網絡(luo)分析(xi)

基于強（ρ>0.7）和顯著（p<0.01）相(xiang)關(guan)性(xing)）網絡分析，探討(tao)了40個最豐富的(de)ARG和細菌(jun)屬之間的(de)共現模式（圖(tu)8）。甲氧芐啶(ding)ARG、dfrF和幾種四(si)環素(su)ARG-tetW、tetO和tet40-與多(duo)種細菌(jun)屬相(xiang)關(guan)，包括共生(sheng)腸道菌(jun)群，如糞桿菌(jun)、Dorea和Ruminococcus。多(duo)個分類群與編碼對不同類別（如sul1、catB、ermT、tetG和flor）的(de)各(ge)種抗菌(jun)藥(yao)物的(de)耐藥(yao)性(xing)的(de)高度豐富的(de)ARG相(xiang)關(guan)，其(qi)中葡萄球菌(jun)的(de)數量最多(duo)。

圖8. 網絡分析顯示了飛(fei)機(ji)廢(fei)水樣本宏基因組亞群(qun)中40個最豐富的(de)抗菌(jun)藥(yao)物耐藥(yao)基因（ARG）與細菌(jun)屬之間的(de)關(guan)(guan)系(xi)。連接表示強而顯著的(de)相(xiang)關(guan)(guan)性（斯(si)皮(pi)爾曼相(xiang)關(guan)(guan)系(xi)數(shu)ρ>0.7，p<0.01）。

總 結

本研究首次全面同(tong)(tong)時調查了多(duo)(duo)個國際機場飛(fei)機和航站樓廢(fei)水(shui)(shui)中AMR的豐(feng)度和多(duo)(duo)樣(yang)性。研究結果表明，飛(fei)機乘客廢(fei)水(shui)(shui)可能(neng)在將(jiang)來自全球(qiu)不同(tong)(tong)人群的AMR細菌迅速引入當(dang)地水(shui)(shui)循環中發揮(hui)作用(yong)(yong)。飛(fei)機廢(fei)水(shui)(shui)監測(ce)(ce)為全球(qiu) AMR 防(fang)控提供(gong)了獨特的跨(kua)區域(yu)視(shi)角，但(dan)其應用(yong)(yong)需突破樣(yang)本偏差、技術標準化及倫理(li)治理(li)等(deng)多(duo)(duo)重挑(tiao)戰。未來需通過多(duo)(duo)學科協作，構(gou)建(jian)兼顧科學性與倫理(li)合規性的監測(ce)(ce)體(ti)系，為應對抗生素耐(nai)藥(yao)性危機提供(gong)創新解決方案(an)。