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【专访.罗义】抗生素抗性基因所带来的环境污染问题已不容忽视!
  • 2017-4-21
  • 来源:农业环境科学
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【导读】带领团队申报的第一份基金是有关抗生素和抗性基因污染,之后在国际上发表了中国环境领域第一篇抗生素抗性基因研究论文….十几年的探索和研究,或许是因为一份好奇和兴趣,而这其中离不开的是科研人员不断进取的求知、坚定和责任...

今天专访——罗义

罗义:南开大学环境科学与工程学院教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金项目获得者。第十三届“中国青年女科学家奖”获得者

 

观点

 

抗生素是最重要的医学发现之一对控制人类感染性疾病发挥了巨大的作用,同时在医疗和畜禽、水产品养殖业中也在发挥着不可替代的作用。但是由于人们的不规范使用和滥用,抗生素作为新型环境污染物所造成的环境问题以及对人类健康的影响已不容忽视。尤其是抗生素引发的耐药菌、抗性基因在环境中的污染问题,对我们的健康构成很大威胁。


那么有关抗生素环境污染以及抗生素抗性基因的潜在健康风险科学研究工作,已成为交叉研究领域包括地球化学、环境科学、分析化学、生态学、流行性病学、医学等领域关注的热点 

 

——源自罗义老师的一段话

 

访谈

 

 

▼ 问:罗老师好,您提出我们需要尽快从国家层面上系统进行抗生素抗性基因的环境污染机理与控制对策研究?这里您提到“尽快”。那么我们国家的抗生素环境污染问题究竟是怎样的状况呢? 

 

罗义:中国是抗生素生产大国也是使用大国,关键是我们国家抗生素滥用问题非常严重。2007年我们对海河进行了抗生素污染调查,这是我们的第一个针对抗生素污染的调查,也是国内第一个在流域上的调查,2010年结果做出来之后让我们非常震惊。我们把海河得出的数据与国内外流域尺度上的抗生素污染数据进行了对比,发现海河的抗生素污染数据是最高的,也就是海河流域的抗生素污染最严重。

 

为什么选择海河流域?是因为我们做调研,发现海河流域畜禽的总产值占农业总产值的比值是全国平均水平的两倍。那么这就意味着,这个流域畜禽养殖业高度发达,因为抗生素在畜禽养殖业使用率很高。可能我们之前都知道,医疗中抗生素用的多,但其实现在在医院中抗生素的使用是被控制的,现在抗生素的使用最麻烦的是在畜禽养殖中,就是动物畜养业,有些甚至还在使用低端的已经被淘汰的抗生素产品,像磺胺、四环素等,那么这种药对应它的抗性基因,被检测出来浓度非常之高,所以我们当时做海河是有这个原因。


也由此我们发表了作为中国环境领域在国际上的第一篇抗生素抗性基因研究论文。

 

Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 7220-7225

 

在去年农业部明令禁止几种抗生素,应该是喹诺酮类的抗生素开始被禁止使用了。但即便是这样,我们禁止的抗生素与欧洲相比,还是少很多。因为我们现在用的抗生素在欧洲10年以前已经不让用了。所以我们国家无论是从抗生素的制造还是使用都是超级大国,也都存在诸多问题。总体讲,因为抗生素的大量使用和滥用,使我们的抗生素环境污染问题比较严重。

 

而从抗生素和抗性基因污染的机理研究来说,我们目前还只是一个初级阶段,结合实际状况,更需要加快步伐系统地来进行抗生素抗性基因污染的基础研究工作,以确保我们的环境安全和人类健康安全。

 

 

▼ 问:抗生素我们并不陌生,但作为污染物,我们如何理解抗生素和抗生素抗性基因环境污染?它们对我们的环境安全以及人类健康具体带来哪些影响呢?

 

罗义:我们说的抗生素和抗生素抗性基因都属于新型污染物,它区别于传统的污染物,比如重金属污染和有机污染物这种带有持久性、蓄积性的特点,抗生素污染不在体内蓄积,我们吃到体内的抗生素随着尿液70%-80%都排出来了,排出体外到哪了?到了环境中,到环境中对谁有影响?是对环境中的微生物有影响,抗生素使环境中微生物体内筛选出抗性基因、增强耐药性,微生物正是抗性基因的生物载体。

 

图:微生物--抗性基因的生物载体

 

那么在污染之前环境中的很多微生物是敏感的,总体上耐药水平较低,正因为环境当中抗生素用的多,经常释放进入环境,就把环境当中本底的一些敏感的细菌筛选成耐药菌,也就是说原来环境当中的微生物,土壤中的微生物,水里面的微生物,本来都是敏感的,敏感就是用药就会把这种微生物杀死。但现在的问题是环境中的抗生素残留越来越高,环境中微生物已经形成了抗体,土壤和水里面的微生物细菌,在正常范围已经杀不死它了。带来的后果就是由于耐药菌的增加,细菌耐药性的增加甚至可以改变整个土壤的微生物组成。

 

我们知道健康的土壤有它固定的微生物,如果抗生素多,抗性基因存在,它就会杀死土壤中的敏感菌,存在的都是这些杀不死的耐药菌,这样的话就可能改变土壤生态系统的微生物群落组成,从而影响土壤肥力,改变土壤质地。土壤就不能再提供有效的养分,直接影响到的就是作物的产量。

 

而因为长期的抗生素存在,形成选择压力,微生物体内的耐药基因水平就越来越高。高到什么程度呢?高到了它会对很多抗生素产生抗性,这种细菌非常强,形成了超级细菌,进而对我们人类有直接的健康危害,在临床已经出现。这些就是我们所说的由抗生素带来的次生污染-抗性基因污染引发的一系列环境健康问题。

 

图:罗义老师2014年发表的超级细菌研究论文

 

 

▼ 问:我想有人可能会问,最早的青霉素是由微生物所产生,也就是在没有抗生素之前,抗性基因是微生物所固有的,既然先有的抗性基因后有的抗生素,加之抗生素很容易被降解、被光解,为什么它还会在环境中造成污染,并且还滋生出了抗性基因呢?

 

罗义:你问的很好。早在3万年以前的样本里就有抗性基因,各种抗性基因都有,也就是说即使没有人类活动,没有释放、没有使用抗生素,那么微生物体内就有这些抗性基因片段,它是微生物固有的。从科学角度讲,它们之间正常的逻辑关系是先有微生物,由微生物产生出抗生素。

 

但由于现在人为大量抗生素的滥用,这些抗生素进入到环境造成抗生素残留,反过来干扰到了微生物的正常存在。只要抗生素使用的多,它残留的就多,它就会促进微生物原来所固有的这一部分抗性基因水平提高,促进它耐药水平的提高,那么随着耐药水平的提高,就会引发一系列的问题。在这个过程中,我们可能把A抗生素降解没有了,但还会产生B和C抗生素抗性基因问题,代谢组学的科研人员可能知道,一种污染物被降解的同时,可能会伴生出现另外一种或几种其他的次生污染物。


图:抗性基因图谱

 

所以抗生素和抗性基因之间,是先有鸡,还是先有蛋,现在来讲,是一个相互的过程。总体上来说,是因为抗生素的不断释放、不断滥用,滋生了抗性基因全球性的传播和扩散,造成了环境污染。

 

 

▼ 问:抗生素抗性基因在环境中的影响,与对人体健康的影响应该是两个方面或者说是科研的两个方向?那么这二者之间在实际污染过程中有怎样的关联呢?

 

罗义:是的。这也是目前我们的一个新课题。我们也正在找寻这个答案。可以确定的是,抗生素抗性基因污染属于生物污染,我们知道生物污染具有爆发性的特征,有时候无法控制,它会引发一系列公共安全事件。比如说像超级细菌感染的NDM-1在印度新德里的超级细菌,可以直接致人死亡,这些事件都与我们人类对抗生素的过度使用、滥用有一定关系。

 

在环境介质中的抗生素抗性基因浓度高,究竟高到什么程度会对我们人体健康有影响?它又通过环境中的哪些途径可以进入到我们人体内?这是我们正在关注和研究的问题,设想它可能会对人体暴露的途径就是通过饮水、食物链。这是我们正在做的一个课题—“ 环境中的耐药基因对人体的影响”。为了保证人体健康,避免公共安全事件出现,同时保证生态环境的健康,我们会进一步去了解它。

 

其实抗性基因本来是微生物中正常存在的,我们完全可以不管它,但现在它太高了,已经非常不正常,已经影响到我们的环境和人类健康。

 

 

▼ 问:在美国,根据食品和药物管理局(FDA)报告,2011 年全美所售的抗生素 80%用于牲畜的饲养;用于牲畜的所有药品中四环素占了 2/3 以上 。抗生素被大量用于畜牧业和 水产养殖业防治感染性疾病,并用作抗菌生长促进剂加快动物的生长。那么抗生素、抗生素抗性基因这类新型污染物主要的环境来源在哪?它潜在的传播途径有哪些呢 ?

 

罗义:抗生素抗性基因污染的环境来源主要是养殖业、水产养殖这是面源,还有制药企业、污水处理厂这些点源。具体传播途径,因为它涉及到的领域很多,所以情况很复杂。


因为抗性基因是生物学传播,与化学污染物存在很大不同,生物污染物没有总量的概念,因为它在传播过程中可能会不断增加,比如我们做抗生素衰减研究,从污水厂进入到纳污河的排放点到河流的下游,通过模型研究我们发现抗生素在排放点最高,到下游是逐渐降低的。但是抗性基因完全不同,它随距离的衰减曲线是很多种,每种都不一样。比如在河流里面本底也有一些微生物,并且我们还发现一个复杂的情况,抗性基因遇见重金属也同样会把它的基因水平升高,这个我们在湘江流域采样的时候已经发现了。


那么通过野外采样调查研究,我们发现抗性基因一方面受河流里微生物的影响,一方面受河流里化学品的影响,因此抗性基因的污染传播过程非常复杂,这也是抗性基因污染研究的一个很大难题。有很多不确定性在过程中。


并且在检测中我们发现,污水处理厂是一个很重要的点源污染,因为人吃的药,甚至没用过的药、过期的药会通过市政污水处理系统,最终都集中进入污水处理厂,而且现在最糟糕的是,污水处理厂的很多工艺,并没有针对这种新型污染物的。比如说,污水处理厂都是可以消减COD BOD的,但是这种新型污染物的标准没有,所以我们在污水处理厂采样,发现这些耐药基因,它们在经过生物处理之后不但没有减少,反而是不断增加的。除了水以外,污泥里面也有大量的耐药基因。


在这个过程中,我们发现所有现象都在证明,抗生素抗性基因污染不是单一的污染源问题,关键是它的复杂传播途径以及在这个过程中的扩散。

 

 

▼ 问:把抗生素和抗生素抗性基因作为新型环境污染物来研究,我们对它们的研究重点在哪?

 

罗义:重点在它的机理研究。我们一定需要对这种污染物有一个清晰的认识,就是抗生素抗性基因污染在环境中分布的浓度、来源,健康风险等等进行全面的了解,只有把这些基础研究了解清楚了,我们才能有效控制它的传播。

 

在国外的抗生素抗性基因污染研究中,很多都是做药理的,做医学的,做生命科学的,还有做生态演化的学者在做这个事情,完全是从机理的角度在做,因为本身它是生物污染,它是一段基因,生物学的传播非常复杂,甚至一种抗性基因就是一个样子,携带的宿主菌都是不一样的,它的传播行为直接取决于它的宿主菌。比如大肠杆菌是通过饮水、食物链,通过吃的传播;肺炎球菌多数是经过呼吸传播。它暴露途径不同,传播路径不同。所以在国外更多就是从基础研究角度来进行,因为如果你不了解传播机理,就做不到管控。

 

我们在做这个事情就涉及到很多学科的交叉,比如环境学、生命科学、医学这些学科的交叉,通过各学科交叉,把基础研究做的更加深入,我们才能真正对抗生素、抗性基因污染问题进行过程控制和有效干预。

 

 

▼ 问:需要进行过程的控制和干预,是否需要基准的出现?目前我们有抗生素污染基准的设立吗?

 

罗义:你说的很对。有了基准才可以真正做到执行,做到过程控制和干预。但目前还没有抗生素污染基准。不过大家越来越重视这个问题了。

 

我们之所以做大量的基础研究工作,就是为了了解清楚这个过程,取得大量的基础数据,为制定抗生素的基准提供数据支持。比如通过饮用水使抗性基因进入人体的可能性有多少?进入人体内有多少?能引起人的哪些疾病?如果能把这个链条说清楚了,我们就可以在过程上进行关键的控制和干预。

 

通过研究我们确实知道了这样的证据,我们人可以通过饮用水使抗性基因进入体内,非常糟糕的是确实会引起一些疾病和一些公共安全事件,那么对于这些,我们就需要优先控制,怎么控制?基准就是一个非常好的办法和途径。

 

再比如说污水排放,污水通过地表水,地表水渗滤进入地下水,所以污水也可以直接影响我们的饮用水,那么污水现在可以通过工艺来控制,我们已经发现化学的方法对于抗性基因污染有很好的去除效果。也就是说我们是可以从污水工艺上进行过程控制的。

 

而基准的最终设立,还直接关系到三个部委的合作,环保部、农业部和卫计委的协调合作。农业部在今年3月份发布了“全国遏制动物源细菌耐药性行动计划(2017—2020年)(征求意见稿)”,国家卫计委是去年发布了“关于印发遏制细菌耐药国家行动计划(2016-2020年)的通知”,可以看出政府部门对此的重视和采取的行动。

 

但首先,我们一定要把链条了解清楚,一定要有基础研究,只有基础研究取得重大突破以后,以基础数据作为理论依据确立基准,我们才能真正管控抗生素、抗性基因污染问题,否则都是纸上谈兵。

 

 

▼ 问:现在大家是否意识到了抗生素抗性基因污染的严重性呢?

 

罗义:该领域研究的科研人员是知道的,但很多其他行业的人还不知道。比如说污水厂,我们在做很多污染物的排放标准,那么我们把抗生素作为一种新型污染物,很多人还没意识到这个问题。不过现在大家对这个问题的认识是在逐步深入。

 

这个通过我们的一篇文章可以看出来,我们是2011年发表的,按说文章的引用率是有一个半衰期的,但这篇文章直到现在被引指数每年都在增高。这说明大家对抗生素抗性基因污染问题在逐步深入的了解和重视起来了。

 

图:2011年发表研究论文,单篇引用率305

 

抗生素本身并不可怕,可怕的是因为抗生素滥用,造成大量的抗生素残留,引起抗生素抗性基因在环境中的传播、扩散带来的污染,对环境和人类健康造成了影响。所以对抗生素抗性基因污染问题需要我们足够重视,我们还需要进行更深入的基础研究。

 

 

▼ 问:我们有没有一种假设,就是去找寻去研发可以代替抗生素的新型药物,从而解决抗生素抗性基因污染问题?

 

罗义:你这个提的特别好。这个属于新型药物的研发,在国外有很多涉及到这方面的问题,也很有意思。现在是这样,大部分的研究发现抗性基因问题是交叉耐药,这种微生物对四环素的一种耐药了,另外一种也会表现为耐药,什么意思,就是先暴露一种抗生素耐药,然后相应地会提高它的耐药程度,但是研究的过程中,发现一个有趣的现象,可能会相反,暴露一种抗生素之后,再暴露的话,他就会敏感了,这样就促使我们可以找到更多的能对微生物敏感的药。这个就属于药物研发的领域了。但这个应该是解决抗生素抗性基因污染问题的一个很重要的方向,是一种很好地手段,有很好地发展前景。

 

 

▼ 问:用“科学改变世界”,这是“中国青年女科学家奖”的宣传语,要祝贺罗老师,获得了第十三届“中国青年女科学家奖”。我想我们都是这份改变的受益者罗老师的最新科研动态能否给我们介绍下呢 ?

 

罗义:谢谢你。是的。科学的力量是巨大无穷的,我很希望可以承担好这份科学家的责任。我最近最想做的事儿,是在南开大学建立一个抗生素、细菌耐药和人体健康研究中心,抗生素细菌耐药与人体健康是我最新的课题,因为南开大学还有医学院和生命科学院,我想把这几个学院的力量合并起来,共同来进行这个课题的研究工作。

 

我们除了关注环境问题之外,还会把人体健康的问题关联起来。目前来看环境中的抗生素抗性基因问题我们在做了,医学中的抗生素抗性基因问题也在做,但是缺乏的是这两者之间的关联,这两者之间究竟是种什么关系,恰恰没有做,这个会是我们研究中的一个重点。

 

 

▼ 问:来拜访您之前,查看您资料的时候,看到了一张很珍贵的合影,是您与您的博士导师王晓蓉教授的合影,您说过,王老师对您的科研人生影响很大。那作为科研工作者,您应该有自己的科研梦和对未来的期盼?

 

罗义:是的。我的博士导师南京大学王晓蓉教授,是我国环境化学领域著名教授,王老师带我走进了科研的世界,开启了我的科研人生,给了我很多受益终身的指导。多年来王老师一直是我的人生导师,她不仅教会了我如何脚踏实地做好科研,王老师更以她乐观、豁达和宽容的宝贵品格深深影响着我,让我受益终生。

 

与王晓蓉教授合影

 

对于环境科研工作者来说,我想环境给我们提供的,给子孙后代能带来什么,这些是越发需要我们去考虑的问题。其实我们更多的是希望真的能看到通过科研努力,让我们的环境有美好的变化。如果说期盼,我的期盼就是一句话“幸福不只在于丰衣足食,还在于碧水蓝天”。

 

 

罗义研究团队

       

研究方向:抗性基因的环境地球化学行为与传播扩散机制;抗生素的环境污染过程与归趋;环境中的细菌耐药对人体健康的影响及机制;抗生素与抗性基因的环境污染控制。

 

罗义课题组以抗生素抗性基因的环境地球化学行为作为研究主线,先后主持了国家杰出青年基金,国家自然科学基金(5项)、国家环保公益专项以及天津市自然科学基金等项目10余项

 

 

罗义担任国际期刊PLoS One (Member of editorial board)编委,《生态毒理学报》编委,中国自然资源学会理事,中国自然资源学会资源循环利用专业委员会副主任、兼秘书长。在环境科学领域重要刊物上发表论文90篇(其中SCI论文50篇),7篇发表在本领域最具影响力期刊Environ. Sci. Technol.(Lett),6篇论文入选环境生态领域“ESI高被引论文”,SCI论文总被引用逾2000余次,单篇最高引用305次

 

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