近年来，由于抗生素可以高效预防和由细菌、真菌和原生动物等引起的感染而被广泛使用[1]。但抗生素的使用诱导细菌产生了使抗生素药物失效
的抗生素抗性基因（ARGs ）。调查表明，全球超过
70%的抗生素都被用于畜禽养殖[2]。抗生素在动物体内只有少部分被吸收代谢，其余30%~90%通过排泄
王灿，张媛，宋璐.畜禽养殖场气载抗性基因污染特征与技术挑战[J].农业环境科学学报,2023,42（6）：1187-1194.
WANG C,ZHANG Y,SONG L.Pollution characteristics and technology threats of airborne antibiotic resistance genes in livestock farmlands [J].Journal of Agro-Environment Science ,2023,42（6）：1187-1194.
畜禽养殖场气载抗性基因污染特征与技术挑战
王灿1，2，张媛1，2，宋璐1，
2*（1.天津大学环境科学与工程学院，天津300350；2.天津市室内环境空气质量控制重点实验室，天津300072）
Pollution characteristics and technology threats of airborne antibiotic resistance genes in livestock farmlands
WANG Can 1,2,ZHANG Yuan 1,2,SONG Lu 1,2*
（1.School of Environment Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China;2.Tianjin Key Lab of Indoor Air Environmental Quality Control,Tianjin 300072,China ）
program可以删除吗Abstract ：The extensive utilization of antibiotics in livestock farms has resulted in the emergence of numerous antibiotic resistant bacteria,which has invariably accelerated the spread of antibiotic resistance genes （ARGs ）in farms.As a repository of ARGs,aerosol has become a
critical concern for environmental health owing to its high potential risks.Experts and scholars at home and abroad have conducted series of studies on the distribution characteristics,transmission,and transfer mechanisms of ARGs in the air,and the interaction between ARGs
and microorganisms in livestock farms.This paper contains the following ：a review on the recent prog
ress in the study of airborne ARGs in livestock farms,an analysis of the fate of ARGs in the air in typical farmlands at home and abroad,as well as the transmission mechanisms,and lastly a discussion on the potential risks,as reference for future risk management and ARGs control in livestock farms.Keywords ：livestock farm;airborne ARGs;influencing factor;risk mechanism
收稿日期：2022-10-08录用日期：2023-02-08作者简介：王灿（1981—），男，湖北人，教授，主要从事生物气溶胶检测与控制、挥发性有机物与恶臭气体生物净化等方面的研究。
E-mail ：*通信作者：宋璐E-mail ：基金项目：天津市科技计划重点项目（21JCZDJC00580）Project supported ：The Science and Technology Key Program of Tianjin ，China （21JCZDJC00580）
摘要：抗生素在畜禽养殖行业的广泛使用导致大量耐药菌的出现，进而加速了抗生素抗性基因（ARGs ）在养殖场环境中的传播
扩散。气溶胶作为ARGs 的储存库，由于具有较高的潜在风险而成为环境健康中的热点问题。国内外专家针对畜禽养殖场中气载ARGs 的分布特征与传播转移机制展开了一系列研究。本文综述了近年畜禽养殖场气载ARGs 的研究进展，分析了国内外典型养殖场空气中ARGs 的归趋特性，阐明了气载ARGs 的传播转移机制，并探讨了这一环境污染对人体健康的潜在风险，以期为今后畜禽养殖工作及ARGs 的健康风险管控提供参考。
关键词：畜禽养殖场；气载抗生素抗性基因；影响因素；风险机制中图分类号：X713
文献标志码：A
文章编号：1672-2043（2023）06-1187-08
doi:10.11654/jaes.2022-0991
物进入环境中，这为环境中耐药细菌（ARB）的产生提供了更大的选择优势。有研究表明，养殖场内动物粪便中的微生物容易气溶胶化，进而可以向外排放[4-5]，而悬浮在空气中的微生物气溶胶和细颗粒物是携带ARGs从牲畜向人类传播的主要途径之一[6-7]。人畜共患病抗性病原体在新出现的传染病事件中起到关键作用[8]，近年来动物源病原体在空中传播引起的人类健康危机受到了广泛关注[9-10]，因此有必要研究畜禽养殖场中ARGs及ARB的空气传播途径。在此基础上，本研究针对畜禽养殖场中抗生素的使用及气载ARGs相关研究和公告做了调查，结果见图1。
目前人们对于水和土壤环境中ARGs的赋存规律及归趋特性已经进行了较为深入的研究[11-13]，但对于气载ARGs的关注较少。同时，由于空气与其他介质不同，空气中的传质阻力更小、扩散性更强，而且机理更为复杂，影响可能更大。因此，本文讨论总结了畜禽养殖场中气载ARGs的污染现状与传播转移
特点，探究了畜禽养殖场中气载抗性基因传播的影响因素和对人体产生的健康风险，为今后畜禽养殖场生态风险和人体健康风险管控提供参考。
1畜禽养殖场中气载ARGs的污染现状气载ARGs的采集方法通常可以按照其采集原理划分为撞击式采样法、气旋式采样法、静电式采样法和过滤式采样法，ARGs常见的分析方法有PCR、
qPCR、HT-qPCR、ddPCR、宏基因组学或多种方法的组合，采集及检测方法的选择对于最终的检测结果和效率有着重要的影响。近年来，越来越多的研究在畜禽养殖场空气环境中检出ARGs[14-23]（表1）。在养猪场空气环境中，Liu等[24]研究发现94%的菌株对磺胺
甲恶唑具有耐药性，有3种菌株对9种抗生素具有耐药性，并发现携带ARGs的金黄葡萄球菌形成的气溶胶已扩散到养殖场外的环境中。Chen等[25]在猪场、牛场、蛋鸡舍、肉鸡舍内空气中均发现了大量的
ARB。畜禽养殖场空气中的ARGs及ARB主要来源于动物粪便，粪便中的ARGs及ARB随着粪便处理和动物移动很容易被气溶胶化[26]。但有研究发现，某些ARGs如mex F在气溶胶中的相对丰度高于在粪便中的，这表明气溶胶中的ARGs也可能存在其他来源[27]。
通过查阅文献，将“空气”“气载”“气溶胶”“大气”“抗性基因”“抗性”“抗菌”“抗生素”“养殖场”“鸡场”“猪场”“牛场”“畜禽”中不同属性的关键词进行组合，在中国知网数据库进行检索，将“air”“airborne”“air-borne”“bioa
erosol”“atmosphere”“antimicrobial”“antibi⁃otic”“anti-bacterial”“antibiotic resistance”“resist”“an⁃tibiotic”“farm”“chicken farm”“pig farm”“livestock and poultry”中不同属性的关键词进行组合，在Web of Sci⁃ence中检索近5年的文献，并删除不相关文章，对相关文献中国内外典型畜禽养殖场气载ARGs检出频次与浓度范围进行整理总结，见图2。如图2a所示，关于养鸡场中气载ARGs的研究较多，且集中于四环素类ARGs。四环素是一类广谱抑菌药物，因其价格低廉且高效的优势在畜禽养殖中有较高使用频率[2]，据调查我国2013年用于畜禽养殖行业的四环素总量为5780t，其中1130t用于养鸡场[28]。在选择压力下，许多细菌对四环素类抗生素产生耐药性，且这些细菌广泛存在于各类畜禽养殖场空气环境中。除此以外，四环素类、磺胺类、β-内酰胺类、MLSB类ARGs 在畜禽养殖场空气环境中均有较高检出浓度，最高可达108copies·m-3（图2b）。值得注意的是，万古霉素类
图1畜禽养殖场中抗生素的使用及气载ARGs的研究进展Figure1Development of antibiotics and airborne ARGs in livestock farms
ARGs 虽然检出浓度较低，但其是在所有抗生素均失效的情况下用来严重感染的抗生素，被认为是“最后一线药物”，这表明畜禽养殖场空气环境中存在
的抗生素健康风险不容小觑。
2畜禽养殖场中气载ARGs 的传播
畜禽养殖场中ARGs 分布广泛，对环境和人体健
康都存在威胁，其中气载ARGs 潜在的在宏观环境中的传播扩散途径如图3所示。研究表明，畜禽养殖场气载ARGs 来源广泛，其中粪便是气载ARGs 的主要来源之一[14]ARGs 输。通过对鸡场和奶牛场的气溶胶及周围空气进行研究并建立大气扩散模型，发现空气中的ARGs 可以沿风向从畜禽养殖场分散到10km 的距离[17]。另一项研究表明，来自养殖场的细菌可能导致周围半径3km 内的居民暴露[29]。同时，相对于水和土壤中的ARGs ，气载ARGs 传播更迅速，传播距离更远，而且比较容易被人体吸入，因此可能更直接地对人体造
成危害。
与此同时，畜禽养殖场中的ARGs 可以是内源抗性（即自身固有），即可以通过诱变因素诱导而自发突猪舍鸡舍鸡舍鸡舍牛舍鸡舍猪舍牛舍鸡舍猪舍鸡舍、肉鸽舍、
鹌鹑舍
鸡舍鸡舍
qPCR qPCR qPCR qPCR qPCR qPCR qPCR qPCR qPCR qPCR PCR
qPCR qPCR
lg copies·m genes·m -3
copies·m -3ARGs·16s rRNA genes -1ARGs·16s rRNA genes -1
copies·m -3
copies·ng -1DNA copies·ng -1DNA copies·ng -1DNA copies·m -3
—
copies·m -3copies·m -3
str A 、qnr A 、erm A 、erm B 、sul 1、sul 2、tet M 、tet G 、tet O
erm B 、erm C 、tet A 、tet G
tet L 、tet W
aad A 、tet O 、bla TEM 、fex A 、flor 、tet O 、tet G
aad A 、bla TEM 、fex A
sul 1、sul 2、sul 3、erm B 、erm C 、tet A 、tet C 、tet Q 、tet W 、qnr A 、qep A 、qnr S 、amp C 、bla OXA-1、bla OXA-2、bla SHV-1、bla TEM-1、bla GES-1、aac C2、aac C3
tet G 、tet M 、tet O 、tet Q 、tet W 、tet Z tet G 、tet M 、tet O 、tet Q 、tet W 、tet Z tet G 、tet M 、tet O 、tet Q 、tet W 、tet Z
erm B 、erm F 、tet W sul 1、sul 2、sul 3
sul 1、sul 2、sul 3、tet A 、tet C 、tet M 、tet Q 、tet W 、erm B 、erm C 、qnr S 、qnr A 、qep A 、aac C2、aac C3、amp C 、bla OXA-1、bla OXA-2、bla TEM-1、bla GES-1、bla SHV-1
sul 1、sul 2、tet G 、tet M 、tet O 、tet Q 、erm A 、erm B 、str A 、qnr A 、bla TEM
[14][15][16][17][17][18][19][19][19][20][21][22][23]
表1典型畜禽养殖场中气载ARGs 的检出注：“—”表示文章中采用PCR 技术定性检测，无单位信息。Node:“—”indicates the qualitative detection using PCR technique in the article without unit information.
图2典型畜禽养殖场中气载ARGs 检出频率及浓度范围
Figure 2Detection frequency and concentration range of airborne ARGs in the environment of livestock farms
养殖场Livestock farm
ARGs 浓度ARGs concentration/（lg copies·m -3）
A R G s 类型A R G s t y p e
（HGT ）（图4）。HGT 是通过可移动的载体将ARGs 从
供体菌转移到受体菌的过程，具体的方式有接合、转
化、转导等（图4）[32]。在接合过程中，质粒、转座子、整
合子、插入序列、插入序列共同区元件、基因组岛和整合接合元件等可移动基因元件（MGEs ）通过接合菌毛由供体细胞转移到受体细胞[33]。转化是处于感受态的细菌吸收并整合环境中存在的DNA 的过程[34]。转导是将外源宿主遗传物质整合到噬菌体中，噬菌体通过捕食来传递遗传物质的过程[35]。畜禽养殖场是易
感细菌产生耐药性并传播的重要场所。研究发现，猪场室内气载ARGs 在冬季时的主要传播方式是HGT [14]。对于具有耐药性的气载病原体，ARGs 在空气环境中的HGT 可能对人体健康造成很大的风险。VGT 是指携带ARGs 的菌株通过繁殖进行的亲代和子代的基因传递。VGT 也可以发生在HGT 的情况之下，即由HGT 形成的转导接合物可以通过次级HGT
和细胞生长进一步促进ARGs 的传播[36]。由于在自然环境中，HGT 与VGT 共存，在研究中我们需要区分
图3畜禽养殖场中ARGs 的传播扩散示意图
Figure 3Schematic diagram of ARGs spread in livestock
farms
图4ARGs 在微生物之间的转移
Figure 4Transmission of ARGs between
microorganisms
进而深入分析ARGs 总体传播的影响因素。
3畜禽养殖场中影响气载ARGs 传播的主要因素
3.1抗生素
抗生素作为预防和促生长添加剂被广泛添加到
畜禽饲料中[37]。抗生素的影响主要包括消化系统异常、超敏反应、毒性作用以及抗生素耐药细菌的产生和传播。研究表明，畜禽养殖中添加的抗生素经畜禽消化吸收后，会在体内诱导产生大量的ARGs ，这些ARGs 可通过呼吸或排泄物进入环境中[38]。排泄物中的ARGs 不仅会污染周围的水和土壤生态系统，还会向大气环境逸散传播[14]。Song 等[39]研究发现使用抗生素的鸡场中气载ARGs 的浓度比未使
用抗生素的鸡场高约2个数量级，并且添加抗生素时发生HGT 的可能性也较高。研究表明，实行抗生素药物管理制度可以成功减少耐药性，例如美国通过有机饲料喂养使得养鸡场的多重耐药率从84%下降至17%[40]。因此，限制动物养殖中抗生素的添加是控制环境中ARGs 的直接途径[41]。3.2细菌落
细菌作为各种ARGs 的宿主菌，除了可以用来评
估对人类的健康风险外，还可以为ARGs 的传播提供针对性信息。细菌落的变化会影响ARGs 的丰度和多样性。Mantel 试验表明，ARGs 与细菌落组成密切相关，表明细菌落结构的变化是影响ARGs 变化的重要因素，同时该研究通过方差分解分析确定了细菌落占ARGs 变化总量的27.6%，在ARGs 的传播过程中起了关键作用[42]。值得注意的是，一些导致人畜共患病的条件致病菌（如Kocuria 、Staphylococcus 、Escherichia 和Pseudomonas ）与ARGs 显著相关，表明这些属可能会改变生物气溶胶中ARGs 的结构，并且Ruminococcus 与多种ARGs 均呈正相关，说明其可能具有多重耐药性[43]。我们需要进一步研究畜禽养殖场中气载ARGs 的宿主，以建立更有效的方法来控制ARGs 的传播。3.3基因可转移元件
整合子、转座子及质粒等MGEs 是ARGs 发生
HGT 的重要载体。既往研究已经建立了MGEs 与ARGs 共现率较高时ARGs 够加快ARGs 的传播和繁殖[44]空气样本中的目标ARGs 与MGEs 的共现率较夏季更高，其中转座子IS 613与整合子int l1几乎与所
有ARGs 显著相关（P <0.05），并且气载ARGs 浓度分布结果表明，冬季气载ARGs 的平均浓度显著高于夏季[14]。3.4环境因素
温度和湿度等物理因素都在生物气溶胶的发生、
迁移、沉积中起着重要的作用。温度影响微生物在空气中的存活时间，进而可改变微生物的落结构[45-46]。微生物落的丰度和种类随温度变化，从而会影响其ARGs 携带能力[47]。由于水分会增加生物气溶胶的粒径而增强沉积，因此湿度较大时大气中微生物的丰度会降低，从而导致气载ARGs 的减少。同时，潮湿环境使得土壤或粪便中微生物气溶胶化变得更加困难，在一定程度上将会降低空气中微生物落的丰度，从而影响气载ARGs 的赋存[48]。Song 等[14]发现湿度对猪场空气中宿主菌和ARGs/MGEs 均有负面影响。此外，畜禽养殖场中积累的排泄物和残留的饲料释放的气溶胶很容易吸附空气中的微生物和氨、硫化氢等污染物[49]，一方面，这些污染物作为营养物质，可以为一些细菌的生长和代谢提供能量；另一方面，它们可能对细菌有毒性作用[50]，进而影响ARGs 的赋存。除此以外，PM 2.5作为细菌生长的载体也会影响气载ARGs 的分布。因此，不同环境因素对气载ARGs 的影响机制研究将为养殖条件的管理提供理论
指导。
4畜禽养殖场中气载ARGs 的健康风险
由ARB 引起的感染比由敏感微生物引起的感染
更容易引起高死亡率[11]。预计到2050年，与ARB 相关的人类感染将导致全球约1000万人死亡[51]。抗生素耐药性的健康风险主要有两方面：第一，由耐药菌引起的人体感染使得疾病难度加大；第二，HGT 使其他菌落尤其是致病菌产生耐药性，增加了感染的风险。因此根据发生、暴露等数据定量评估ARGs 与ARB 的人类健康风险尤为重要。
通过分析特定的ARGs 与ARB 的浓度计算暴露剂
量和剂量反应关系，可以评估ARGs 与ARB 的健康风
险[11]。暴露剂量（copies·kg -1·d -1）是指人类个体单位体质量每日接触到ARGs 的剂量。Wang 等[52]研究发现，在卫生间和普通室外空气环境中，通过呼吸途径暴露于ARGs 的剂量（1024-1-1）略低于通过

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