朱永官院士团队CREST特邀综述：动物养殖业的抗生素抗性组——现状与出路

导 读

中国科学院院士朱永官团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“动物养殖业的抗生素抗性组——现状与出路（Antibiotic resistome in the livestock and aquaculture industries: Status and solutions ）”的重磅特邀综述（Invited Review）。

自20世纪40年代人类发现抗生素以来，大量的抗生素进入动物养殖业，用于促进动物生长以及预防和治疗动物疾病，从而满足人类对于动物源食品日益增长的需求。动物养殖业长期对抗生素的过量使用、误用和滥用，诱导了动物体内产生大量的抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs），引发细菌耐药性。集约化养殖模式的动物养殖场成为了ARGs的污染热区（hotspot），加剧了ARGs的富集及其在环境中传播与扩散。因此抗生素耐药性问题日渐加剧，目前已成为全球最严峻的公共卫生问题之一。随着近年来基因芯片和高通量测序等技术的快速发展，我们对环境中抗生素抗性组的认识已大大提高。因此，本综述在“One Health”框架下，从抗菌剂的使用、养殖动物抗性组、动物-(环境)-人类的ARGs传播途径、潜在解决方法四个层面出发，聚焦人类健康风险，对动物养殖业抗生素抗性组进行总结梳理，以期为动物-环境-人类系统下的微生物组/抗生素抗性组研究提供有价值的见解，并呼吁社会更加关注全球耐药危机造成的环境健康问题。

图1  图文摘要

主要内容

集约化养殖业在很大程度上依赖抗菌剂（抗生素和重金属等）的使用（尤其是在发展中国家）。抗菌剂不仅用于治疗动物感染性疾病和预防术后并发症，也作为生长促进剂或预防药物以低剂量添加到动物饲料中，供给整个畜禽群或水产养殖系统，以提高肉类产量。本文针对动物养殖业的抗菌剂使用，从历史发展过程、使用现状及潜在风险等多个角度进行了总结探讨。其中，中国是抗生素最大的生产国之一，而每年生产的抗生素有一半进入动物养殖业。Van Boeckel等人估算从2010年到2030年全球动物抗生素消耗量将增加了67%(63,151吨增至105,596吨)，这些抗生素会使动物肠道内积累丰富的ARGs。此外，有研究发现, 40%~90%的饲用抗生素以原化合物或具有生物活性的代谢产物的形式随动物粪便排出。

随着动物养殖业中抗菌剂的大量使用，集约化养殖场成为全球耐药性发展的重要场所和ARGs的主要污染热区，全球ARGs水平不断升高。最新研究表明ARGs的全球分布具有地理差异的国家特定模式。低收入和中等收入国家(中低收入国家) 的抗生素使用因不受管制而备受关注。例如，中国和印度是目前最主要的ARGs热点地区，而巴西和肯尼亚被认为是新兴的热点地区。与此同时，ARGs的全球分布模式也受养殖物种影响，例如猪的抗性组负荷总量（丰度）较高，而禽类抗性组则具有更高的多样性。

动物养殖系统和动物微生物组是ARGs重要的储存库，这些ARGs通过微生物繁殖、基因水平转移、人类食物链等多种途径在动物-(环境)-人类系统中传播，最终危害人类健康（图2）。除了直接暴露于动物养殖系统的ARGs污染以外，人类食物链、全球食品贸易等都是动物-人类间ARGs进行直接传播的重要途径。此外，环境在ARGs的全球传播中起着至关重要的作用。食源动物-环境-人类系统下的ARGs传播主要涉及两个过程：来自动物养殖场抗菌剂残留物的选择作用和ARGs的传播扩散。动物粪便作为有机肥施用于农田土地导致ARGs进入土壤环境，并在农田生态系统中传播扩散。粪便源有机肥带入土壤的抗性基因及其宿主可以进入植物，并通过人类消费（有机）蔬菜和水果等方式进入人类食物链。基因交换和基因重组在水生环境中频繁发生，从而使水生微生物群落快速适应多变的水体环境，因此水生环境被认为是ARGs传播扩散的“温床”。而水产养殖是水生环境抗性组发展和全球传播的主要途径之一。含抗菌剂和ARGs污染的养殖废水进入水体，会刺激细菌突变、重组和水平基因转移，从而增加天然水生环境中ARGs水平扩散风险。与此同时，这些环境中的ARGs可通过水平基因转移在环境微生物群落中进行扩散，进入人类病原菌，从而诱发超级细菌，增加环境健康风险。

图2 动物-(环境)-人类的ARGs/ARB传播途径

有效减少和控制抗生素等抗菌剂的消耗是缓解动物源性ARGs的传播最根本有效的方法。此外，使用如植物性添加剂、益生菌和益生元等其他添加剂作为抗菌剂的替代品也可有助于减少抗生素的消耗。与此同时，从源头上治理或减少ARGs在动物-环境-人类系统中的流动也十分重要，例如，采用粪便堆肥、生物炭添加、厌氧消化等方式对动物粪便、养殖业废弃物、废水等进行有效且谨慎的处理，可有助于控制全球耐药性的发展和传播。

总结与展望

本综述在“One Health”框架下，从抗菌剂的使用、食源动物抗性组、动物-(环境)-人类系统的ARGs传播及潜在解决方法四个层面出发，对动物养殖业抗生素抗性组进行全面梳理，旨在为动物-环境-人类系统下的微生物组/抗生素抗性组研究提供新的视角。文章指出，未来对动物养殖业抗菌剂和耐药性的持续研究和长期监测是非常必要的；并特别需注重“One Health”框架下微生物组和耐药性研究，从整体上，包括人类、动物、各种环境单元（如水，土壤和空气），研究抗生素耐药性的环境健康问题。此外，目前仍迫切需要标准化的方法和全球性耐药性数据库，以提高我们对动物源ARGs的深入认识和其在流行病学中的意义，以帮助权威机构建立更好的指导方针，在全球共同努力下缓解全球抗生素耐药性危机。

作者简介

第一作者：

赵忆，博士，中国地质大学（北京）讲师。主要从事微生物生态学领域的研究工作，在Nature  Microbiology，ES&T等国际刊物发表SCI论文14篇，被引次数1000余次。曾获玛丽居里夫人青年学者ESR称号。

通讯作者：

朱永官，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中国地理学会会士，中国土壤学会会士。环境土壤学家、环境生态学家。中国科学院“引进国外杰出人才“、国家杰出青年基金获得者、中国青年科技奖、国家”留学回国工作成就将“获得者，新世纪百千万人才计划国家级人才。现任中国科学院城市环境研究所和中国科学院生态环境研究中心研究员、博士生导师。主要研究成果获得国家自然科学二等奖等（第一完成人）和发展中国家科学院（TWAS）农业科学奖。在国际主流刊物Science、Nature、PNAS等刊物发表学术论文500余篇，2016年至今连续入选Clarivate全球高被引科学家。

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供稿：中国科学院院士朱永官团队

编排：白鹤子（CREST期刊推广员）

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