抗生素的发明与使用是人类医学史上具有里程碑意义的成就。但是,随着抗生素的大量生产、使用、甚至滥用,抗生素和抗性基因（耐药性）污染已经成为一个全球性的环境健康问题。抗生素耐药性是指微生物可以耐受抗生素对其的抑制和致死作用进而存活和繁殖。抗生素和耐药性的污染是一个问题的两个方面,即抗生素的残留会诱导选择抗性细菌,促进抗性基因的横向转移,导致微生物耐药性的扩散,而携带抗性基因的微生物扩散到新的环境会进一步繁殖,并有可能通过基因横向转移将抗性基因传递给病原菌,给人类健康带来灾难性的危害。目前,除了环境中背景水平的抗性基因外,主要有人类排放（医院和污水处理厂）、动物养殖和制药厂等几个来源。

2011年世界卫生组织（WHO）在世界卫生日的主题是“抗生素耐药性：今天不采取行动,明天将无药可用”,其数据显示,全球每年约有44万个耐药结核病(MDR-TB)新发病例,至少造成15万人死亡。2015年5月WHO发布全球报告,呼吁建立全球抗生素耐药性监测系统。之后,许多国际组织和机构相应提出了行动方案,阻击抗生素耐药性的蔓延,如二十国集团（G20）等。在2016年9月21日联合国大会第71次会议上,联合国各成员国采纳了抗生素耐药性高级别会议的政治宣言。这显示了联合国各成员国在预防后抗生素时代抗生素耐药性行动上的共识。为此,联合国秘书长宣布成立联合国跨机构耐药性协调组（IAGA）。为积极应对细菌耐药带来的挑战,提高抗菌药物科学管理水平,遏制细菌耐药发展与蔓延,维护人民群众身体健康,促进经济社会协调发展,2016年国家卫生计生委等14部门联合制定了《遏制细菌耐药国家行动计划（2016–2020年）》。

世界上许多国家生产的抗生素约一半都作为兽药和饲料添加剂等。动物摄入的抗生素大部分以原药或代谢产物的形式经动物粪便和尿液进入土壤、水体,从而产生污染,并通过食物链对整个生态环境产生毒害,影响植物、土壤微生物和动物的正常生命活动和功能。更严重的是,抗生素药物残留会造成病原菌的耐药性增加,从而危害人类健康,增加人类疾病的治疗难度。

绝大部分抗生素原药及其代谢产物进入土壤后会迅速与土壤发生吸附作用,之后的解吸过程会直接决定其生物有效性。我们研究发现要解决抗生素的污染问题需要特别关注抗生素残留带来的微生物的耐药性——抗生素抗性基因。以我国多处大型养殖场周边土壤作为研究对象,我们采用分子生物学手段开展四环素抗性基因的污染问题研究,发现抗生素的大量使用导致大型养殖场周边土壤中微生物抗性基因增加,揭示土壤中抗性基因与四环素等抗生素的残留呈显著正相关关系。成果发表在Environmental Science & Technology上,美国化学学会的化学和工程新闻专门进行了介绍,认为是“首次来自中国的关于农用抗生素和土壤抗性基因的研究成果,为政府在抗生素使用及产生后果方面的政策制定提供了建议”。

由于抗性基因的多样性（数百个或更多）,传统的分子生物学技术（普通的定量PCR）无法了解环境中抗生素抗性基因的全貌。在2007年,我们有幸为国际著名微生物生态学家James Tiedje申请了中科院的爱因斯坦讲习教授计划,借此,Tiedje教授于2008年5月初来访,与我们开展了深入的学术交流。通过交流,我们商定采用高通量定量PCR技术研究环境抗生素抗性基因。经过进一步改进和优化,我们的高通量定量PCR可同时检测244种抗性基因。我们对国内三个大型养猪场的猪粪、猪粪生产的堆肥以及施堆肥后的土壤样品进行抗性基因分析,共检测到149种抗性基因。这些抗性基因几乎涵盖了目前已知的绝大多数抗生素类型,即使一些未在猪场使用的抗生素也检测到了相应的抗性基因（图1)。就抗性基因丰度而言,与不使用抗生素的对照猪粪样品相比,共有63个抗性基因显著富集,富集倍数中值为192,单个抗性基因的最大富集倍数可达2.8万倍。猪粪生产的堆肥中也同样检测到了多种类型和抗性机制的抗性基因,最高的富集倍数可达5.7万倍。研究同时还发现抗性基因的丰度与环境中抗生素和砷铜等重金属浓度均呈显著正相关,说明砷铜等重金属和抗生素的复合污染可以增加环境中抗生素抗性基因的富集。该成果在PNAS上发表后得到国际同行和公众的广泛关注。Nature专门报道和详细讨论了我们的研究成果。其他许多国际媒体如New York Times, New Scientists均给予了报道。该论文在Web of Science中入选高被引论文。

污水和中水回用也是抗性基因传播的主要途径。为此,我们同样采用高通量定量PCR的方法,对中国7个代表性城市的公园土壤样品中的抗性基因进行分析,在所有的土壤样品中共检测到了147种抗性基因。与未使用再生水浇灌的公园对照土壤相比,共有105种抗性基因在再生水浇灌的公园土壤样品中有显著性富集,其中抗性基因总的富集倍数最大可达8 655.3倍。同时在再生水浇灌的公园土壤样品中检测到了4种转座酶基因,最高的富集倍数可达2 501.3倍。研究发现抗性基因与转座子酶基因丰度之间具有显著的正相关关系,表明转座子可能促进了抗性基因的传播。本研究揭示了再生水浇灌导致了城市公园土壤中抗性基因的富集。

除了污水和中水,污泥作为污水处理系统的副产物,是环境中抗生素抗性基因的重要存储库。而日益发展的城市使得城市污水处理厂每天产生大量的剩余污泥,截至2015年我国已建污水处理厂已超过3 500座,每年产生约3 500万t污泥。堆肥化处理是指在微生物的作用下,将有机废弃物转化成腐殖质的过程,产生的堆肥产品可用作土壤改良剂和肥料。在堆肥化过程中抗生素抗性基因是怎样变化的,微生物和抗性基因之间又有何关系?我们采用高通量荧光定量的方法研究了污泥堆肥处理过程中抗生素抗性基因的特征变化,并且采用16S rRNA基因高通量测序法研究了堆肥过程中微生物群落结构的变化。结果共发现156种抗生素抗性基因和基因移动元件,并且在堆肥的过程中,抗生素抗性基因的多样性和丰度都显著增加。通过微生物群落结构的分析,发现堆肥成熟期放线菌门细菌显著增加并占主要地位,由于放线菌是土壤中抗生素的主要生产者,其本身也携带多种抗性基因,所以堆肥过程中抗性基因的富集可能是由于放线菌门的变化导致。进一步分析发现微生物群落结构与抗性基因结构显著相关,证明了堆肥过程中微生物群落结构的组成变化是影响抗生素抗性基因变化的主要原因,这些结果发表在Environmental Science & Technology（Su, et al., 2015）,目前也是Web of Science 的高被引论文。我们通过污泥长期定位实验研究了污泥施用对于农田土壤抗性基因的影响,结果表明直接施用污泥或污泥堆肥有可能在土壤中引入新的抗性基因（Chen, et al., 2016）。该论文在Environment International发表后被欧盟Science for Environment Policy引用并做了详细报道。最近我们采用该方法系统研究了我国河口湿地中抗生素抗性基因,揭示了抗性基因的分布与人类活动的密切关系,成果于2017年初发表于Nature Microbiology。

我们在国际合作过程中建立起来的高通量定量PCR技术在环境抗生素抗性基因研究中发挥了重要作用。在此基础上,我们建立了高通量定量PCR测试研究平台,并且发展了针对生物地球化学循环相关功能基因、环境中病原菌和粪源菌的具有自主知识产权的高通量芯片,为我们开展环境土壤学和环境生物学研究提供了强有力的平台。目前我们的平台也成为国际合作的平台,每年来自美国、英国、澳大利亚、德国和以色列等的科学家和我们开展深度的合作研究。在抗生素抗性基因研究的基础上,我们阐述了人类活动微生物及其携带的基因在环境中迁移的影响,提出了微生物全球尺度的大规模迁徙的模式。该论文于2017年9月15日发表在Science上。

通过这项研究或这个科学故事,我们认识到：一项创新性的研究需要前沿的科学问题与方法手段的有机结合,同时环境领域的相关研究必须面向现实社会。