制药行业抗生素与抗药基因的排放特征、环境行为及控制技术

WHO listed the antibiotic resistance as one of the major challenges for human health in its report issued in 2000, and antibiotic resistance genes (ARGs), which are considered as a kind of emerging contaminant, have now become one of the most important issues in environmental studies. Focusing on five fermentative antibiotics (tetracyclines, macrolides, β-lactams, aminoglycosides and glycopeptides) and one synthetic antibiotic (quinolones), this study will mainly focus on the following issues: (1) to evaluate the discharging characteristics of antibiotics and ARGs from the above six typical antibiotic manufacturing processes with typical municipal wastewater treatment plants as the control; (2) to better understand the horizontal transfer mechanisms of ARGs in environment, the contributions of the recombination of ARG cassettes by integrons and the ARGs transfer by conjugation of plasmids under the existence of antibiotics will be revealed by combining the traditional culture-based approach with the high through-put sequencing technique and bioinformatics; (3) a biofilm exposure system will be established to determine the allowable antibiotic discharge concentrations; (4) to construct a multi-barrier process for the control of discharge of antibiotics and ARGs during the whole antibiotic manufacturing processes. The final goal of this study is to provide a solid scientific base for the pollution control and management of ARGs.

世界卫生组织在2000年的报告中将抗生素抗性列为本世纪人类在健康领域面临的最大挑战之一，有关抗药基因传播机制与控制技术的研究已经成为国际环境科学领域的一个前沿问题。本项目将以生产量大、使用历史长的五种发酵类（四环素类、大环内酯类、β-内酰胺类、氨基糖甙类和糖肽类）和一种化学合成类（喹诺酮类）抗生素为对象，以典型城市污水厂为对照系统，全面评估抗生素生产及废水处理过程中抗生素与抗药基因的排放特征；把传统的筛选培养方法与高通量测序技术及生物信息学手段有机结合，深入研究抗生素胁迫下整合子对抗性基因的重组作用及质粒介导的结合转移作用，以揭示抗药基因在抗生素压力驱动下主要的水平转移机制；构建多通道生物膜流动暴露系统进行抗生素最小选择浓度评价，为设定抗生素排放浓度提供技术支持；研究针对抗生素生产全过程的抗生素及抗药基因控制多级屏障技术，为抗药基因的污染控制与管理提供全面系统的科学基础。

细菌耐药性问题是本世纪人类在健康领域面临的最大挑战之一，环境作为抗药基因的储存库和重要传播途径在临床耐药性发展中发挥着重要作用。本项目围绕“抗生素胁迫下细菌群落水平上抗药基因的水平转移机制”这一关键科学问题，重点开展了以下四方面工作：1.方法学研究。建立了新型抗药基因序列数据库SDARG，整合和更新了抗药基因的蛋白和核酸序列及宿主信息，序列数量是现有抗药基因数据库（ARDB）的56倍，可用于抗药基因的注释和分析以及引物的覆盖度检验与设计等，目前数据库已经开放端口（http://159.226.240.74:8083/）为全球细菌耐药性研究提供服务。此外，还优化了微生物群落网络和单细胞融合PCR方法。相关成果为细菌群落水平上研究耐药性发展提供了重要的方法学支撑。2.抗生素生产废水处理系统耐药性分布特征调查。发现抗生素废水处理系统是细菌耐药性发展的一个热区，高浓度土霉素和红霉素的存在可导致细菌多重耐药性的发生。3.抗生素对废水处理系统的影响及最小选择浓度研究。通过厌氧长期模拟实验确定了土霉素抑制甲烷发酵及诱导厌氧微生物群落耐药性发展的浓度阈值；建立了好氧生物膜抗生素连续暴露模拟系统和批量实验系统，明确了10种抗生素诱导抗性发展的最小选择浓度。4.不同抗生素胁迫下细菌耐药性发展机制研究。将分离筛选与高通量测序技术及生物信息学手段结合，在细菌群落水平上揭示了链霉素、土霉素、替加环素压力下废水处理系统中抗性发展机制的差异，发现I型整合子在链霉素体系的抗性发展中发挥关键作用，转座子和质粒在土霉素体系的抗性发展中发挥关键作用，而宿主选择作用是替加环素系统抗性发展的主要机制。实验测定的抗生素最小选择浓度同样可以作为含抗生素废水的环境排放控制标准及环境耐药性风险评估的风险阈值，成果为世界卫生组织（WHO）“水、卫生、耐药性政策导则”（WHO WASH-AMR, 2019）以及中国科学院化学学部咨询报告“水环境中抗生素污染现状调查与对策”的撰写提供了基础数据和素材。