清华大学深圳国际研究生院李炳课题组CEJ:从“源头”到“龙头”饮用水系统中的抗生素耐药基因——绝对丰度、水平基因转移潜力与宿主解析

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第一作者：刘杰，赵仁鑫

通讯作者：李炳

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院

论文DOI：10.1016/j.cej.2026.176262

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.176262

图片摘要

成果简介

近日，清华大学深圳国际研究生院李炳老师课题组在《Chemical Engineering Journal》发表题为Antibiotic Resistance Genes in Drinking Water: Absolute Abundance, Mobility, and Hosts across the Source-to-Tap Continuum的研究论文。该研究聚焦城市饮用水系统中广受关注的生物类新污染物安全问题—抗生素耐药基因（Antibiotic resistance genes，ARGs），系统解析了其在“原水—水厂处理—管网输配—终端龙头水”全过程中的绝对丰度变化、传播潜力及宿主演替规律，为城市供水系统风险防控提供了科学依据。近年来，环境微生物研究正在逐步迈向“环境分析微生物学”的精准绝对定量分析阶段（Wang et al., Microbiome, 2025）。本研究正体现了“环境分析微生物学”的核心理念，即通过绝对定量手段，揭示复杂环境系统中微生物及功能基因的行为规律，并服务于环境治理与公共健康管理。当前，抗生素耐药基因绝对定量领域已形成两条具有重要影响力的技术路线：一是基于DNA内标的绝对定量方法；二是基于细胞内标的绝对定量方法。这两类方法为环境耐药组的绝对定量研究奠定了重要基础。在此基础上，本研究进一步提出并验证了第三种ARGs绝对定量技术路线——宏基因组测序联合流式细胞术定量方法。该方法利用流式细胞术获取水体样品中总细胞数，再结合宏基因组测得的细胞归一化ARGs丰度，实现饮用水系统中ARGs绝对拷贝数检测，显著完善了现有绝对定量技术体系。研究发现，两座全规模饮用水厂均能显著降低ARGs的绝对丰度，部分核心耐药基因仍持续存在，且输配管网可能筛选特定耐药宿主菌群，提示饮用水系统耐药风险控制需要从“水厂处理”延伸至“全流程管理”。

引言

抗生素耐药性已成为全球公共卫生领域最严峻的挑战之一。随着抗生素的广泛使用，耐药菌及其携带的耐药基因已从临床环境扩散至河流、土壤、污水以及饮用水系统。饮用水作为与人体直接接触最频繁的环境介质之一，其潜在耐药基因暴露风险正受到越来越多的关注。传统饮用水安全评价主要聚焦常规病原微生物和理化指标，而对于耐药基因的研究仍相对有限。已有研究表明，混凝沉淀、过滤、活性炭和消毒等处理工艺能够降低微生物负荷，但不同工艺单元对ARGs的控制效率差异明显。同时，加氯消毒、生物膜形成及管网再生长过程，还可能持续改变微生物群落结构，使部分耐药基因得以存留甚至富集。然而，目前多数研究仍采用相对丰度指标评价ARGs变化，难以准确判断其真实增殖/削减过程。例如，当总菌量下降时，ARGs相对丰度可能升高，但实际的ARGs绝对丰度已显著下降。因此，建立精准的ARGs绝对定量体系，是饮用水风险评估的重要前提。本研究基于长期连续监测，围绕两座采用不同工艺路线的全规模饮用水厂，系统评估了ARGs从“源头”至“龙头”全过程中的绝对丰度变化、组成差异、迁移潜力及宿主演替，为风险导向型饮用水管理提供了新的量化依据。

图文导读

1.饮用水处理-输配管网全流程ARGs绝对定量解析

图1：两座饮用水厂各处理单元及龙头水ARGs绝对丰度变化

共检出 473种ARGs亚型，涵盖19类耐药类型，总绝对丰度范围为 1.26 × 10¹–1.94 × 10⁵ copies/mL。两座水厂均表现出良好的ARGs去除效果，其中一座水厂平均降低 1.58-log，另一座平均降低 2.26-log。结果表明，现有饮用水处理体系整体能够有效降低耐药基因负荷。但在个别处理单元中，ARGs丰度出现局部回升，提示微生物再生长或生物膜过程可能导致特定ARGs短暂富集。

2.处理工艺重塑耐药组结构

图2：不同处理阶段ARGs组成变化及群落分异特征

原水中占优势的ARGs类型主要包括多药类、杆菌肽类、磺胺类和氨基糖苷类耐药基因。经过混凝沉淀、过滤及消毒后，ARGs组成发生显著变化，消毒出水中优势ARGs类型与原水已明显不同。这说明饮用水处理过程不仅降低耐药基因总量，亦是一个动态筛选过程，会重塑耐药组结构与群落组成。

3.核心ARGs持续存留

图3：全过程持续检出的核心ARGs亚型

尽管总体负荷显著下降，但两座饮用水厂系统中均存在若干持续检出的核心ARGs，包括：bacA、rosB、macB及multidrug efflux pump（多药外排泵基因）。这些基因在不同处理阶段均保持一定检出率，并贡献较高比例的总ARGs丰度，显示其具有较强环境适应性和处理耐受性。

4. ARG水平基因转移潜力解析

图4：ARGs水平基因转移潜力及其与移动遗传元件共存关系

研究发现，约24.2%的ARGs相关基因片段位于质粒上。部分磺胺类、四环素类、β-内酰胺类耐药基因与转座酶、整合酶、接合转移蛋白等移动遗传元件共存，说明其具备水平基因转移潜力。这意味着即使ARGs丰度较低，只要其仍具备转移能力，仍可能在后续环境中扩散传播。

5.龙头水中分枝杆菌成为主要ARGs宿主

图5：原水至终端水ARGs宿主演替规律

研究共识别出78个细菌属为潜在ARGs宿主。原水中主要宿主为Enterobacter、Pseudomonas和 Acinetobacter；而经加氯处理及管网输配后，宿主结构逐渐转向更适应低营养和生物膜环境的菌群。其中，终端龙头水中Mycobacterium（分枝杆菌属）成为主要ARGs宿主，携带多药、喹诺酮、氨基糖苷及四环素等耐药基因。部分种类属于机会致病菌，提示终端用水阶段仍需持续关注微生物安全风险。

小结

本研究基于“环境分析微生物学”理念（Wang et al., Microbiome, 2025），首次展示了饮用水系统中耐药基因的绝对丰度全谱信息，揭示了抗生素耐药基因在城市饮用水“源头”到“龙头”全过程中的变化规律。研究的重要贡献之一，是在现有DNA内标法与细胞内标法两条成熟技术路线基础上，进一步建立了宏基因组测序结合流式细胞术的第三种ARGs绝对定量方法，为环境耐药组学研究提供了具有实用价值的新方法。研究表明，饮用水处理工艺能够显著降低ARGs总负荷，输配管网可筛选出具有环境适应性的核心ARGs及宿主菌群。建议饮用水安全管理在传统理化指标和生物指标控制基础之上，进一步关注由于抗生素耐药性导致的微生物安全风险。