抗生素耐药性的演变及其对环境的影响是非常复杂的，理解它需要大量的时间和精力。但由于现代技术的进步，这一过程的某些部分以相对而言闪电般的速度进行。全基因组测序的高容量工具，包括自然基因组测序，以及对产生的大量数据的分析方法，极大地加快了研究的速度。bob体育登录

詹姆斯Tiedje是主任吗密歇根州立大学微生物生态学中心成立于25年前，是美国第一批国家科学基金会科学和技术中心之一。该中心的工作重点是微生物在其自然和管理生境中的竞争力、多样性和功能。蒂杰说，通过技术获得的好处有助于提高科学家对微生物以及它们如何影响周围环境的理解。

“通过这些技术获得的信息使我们能够深入了解我们周围的微生物世界——土壤、水甚至空气——这在以前是无法想象的，”Tiedje说密歇根州立大学AgBiobob体育登录Research科学家。

最新的突破之一是一次检测数百个基因的能力，而不是像过去那样只检测一两个。这项技术对Tiedje和其他研究人员特别有帮助，他们正在努力确定农业中抗生素的使用在多大程度上可能会导致病原体中日益严重的抗生素耐药性bob体育登录问题。bob体育合法吗

尽管技术进步有助于加快对抗生素耐药性的研究，但研究人员表示，合作也是至关重要的。bob体育登录

他说:“合作让研究人员能够完成我们单独一人无bob体育登录法完成的事情。密歇根州立大学agbirbob体育登录esearch环境和土壤科学家斯蒂芬·a·博伊德．“结果可以从实验、光谱、计算和分析等多个角度获得和检查，而不是依赖于单一的方法或专业领域。最终，所有这些来源的结果都必须是一致的，这使得结论更有说服力。”

数据库和先进的筛选技术瞄准arg

今天，大部分的研究在bob体育登录密歇根州立大学微生物生态学中心专注于微生物组——几乎无处不在的微生物群落，包括那些与植物和人类等大型生物体生活在一起的微生物。

Tiedje是该大学植物、土壤和微生物科学系的杰出教授，他解释说:“这些研究导致了生态基因组学的一个新领域，它有两个组成部分:提供生物系统数据的高容量技术和设备，以及用于理解产生的大量数据的基因数据库和计算分析工具。”

作为这项工作的一个例子，蒂杰和一个多学科密歇根州立大学一个中国研究小组使用了一bob体育登录种新的高容量DNA技术和一个复杂的数据库来确定中国商业养猪场抗生素抗性基因(ARGs)的水平。ARGs降低抗生素抵御人类和动物疾病的能力，并可通过粮食作物、饮用水和与农场工人的互动传播给普通人群(见第7页图表)。

该数据库为本工作的基础而开发罗伯特Stedtfeld而且Syed Hashsham，都来自密歇根州立大学土木与环境工程系，与Benli柴而且詹姆斯·科尔他是微生物生态学中心的生物信息学专家。

Stedtfeld解释说:“通过查阅公开参考文献中的DNA数据库，并查看其他关于抗生素耐药性的研究，我们开发了一个广泛的ARGs数据库。”bob体育登录“然后我们设计了引物，这是每个目标基因特定的DNA序列片段。这些引物有助于检测被测样本中存在的特定基因。”

该引物数据库是检测ARGs最全面的数据库之一。

利用高通量工具对来自中国养猪场的粪便、堆肥和土壤样本进行筛选，该工具用于同时对多个样本中的数百个遗传特征进行敏感检测。这些功能已在WaferGen (SmartChip)和Life technologies (OpenArray)的技术中商用，这两家生命科学公司都提供基因组解决方案。

Stedtfeld说:“WaferGen和Life Technologies公司提供的工具是一种先进的技术，可以同时进行数千个筛选反应，揭示基因的存在和丰度。”

Tiedje和他的研究小组一直使用实验室仪器进行测试bob体育登录，但研究人员正在努力将数据库中最重要的基因放在可用于野外的手持分析仪上。

Tiedje说:“这类技术的持续发展可以帮助我们更好地追踪环境中感兴趣的基因。”“它们还可以帮助我们更多地了解干预的关键点，以最大限度地减少日益严重的多重耐药病原体问题。”

蒂杰还与爱荷华州艾姆斯国家动物疾病实验室的合作者进行了一项对照研究。结果表明，在饲料中使用抗生素作为生长促进剂，与未使用抗生素的同窝猪相比，增加了猪胃肠道中arg的数量。

蒂杰解释说:“每天接触抗生素会让携带ARGs的微生物茁壮成长。”“在某些情况下，这些耐抗生素基因具有高度的移动性，这意味着它们可以转移到其他细菌中，其中一些可能会导致人类疾病。这是一个越来越令人担忧的问题，因为这些细菌引起的感染已经不能用抗生素治疗了。”

实验室仪器和技术促进了土壤污染物的研究bob体育登录

土壤和地表水是ARG调查的另一个重要领域。密歇根州立大学AgBiobob体育登录Research土壤化学家回族李和博伊德合作布莱恩Teppen,一个密歇根州立大学AgBiobob体育登录Research科学家，研究土壤污染物，包括抗生素。这项工作的关键仪器是带有串联质谱(LC-MS/MS)的液相色谱仪，它提供特定的分析信息，并具有比气相色谱(另一种用于分离混合物的实验室技术)更高的分析通量。LC-MS/MS，由密歇根州立大学AgBiobob体育登录Research和Li实验室的其他资源，有助于识别环境中的抗生素和许多其他药物，并测量它们在水和土壤中的含量。

李教授是植物、土壤和微生物科学的副教授，他说:“有了LC-MS/MS，我们就能得到整体情况。”“我们可以把样本带回实验室，提取土壤和水中的抗生素含量。”

他主要研究土壤和水中的有机污染物，特别是环境中抗生素的识别和测量。四环素是一种广谱抗生素，用于治疗多种感染，也用于动物喂养操作，是他大部分研究的重点。bob体育登录

“如果四环素进入土壤或水中，它们会对本地细菌种群施加选择性压力，这可能会导致细菌对抗生素产生耐药性，”李说。“然而，我们的研究表明，如果bob体育登录水中含有更多的钙或镁，抗生素的反应就会比不含这些矿物质的水中低得多。这可能会降低四环素的生物利用度，从而降低其选择压力。”

生物利用度描述了来自环境基质的物质被生物系统吸收的程度和速率，是将环境暴露与arg的发展联系起来的关键因素。

影响生物有效性的其他因素是环境条件，如潮湿、干燥或潮湿的土壤。

“四环素对细菌来说更具有生物可利用性，特别是在潮湿的条件下，”李说。“在湿润但不含水的土壤中，四环素具有很高的生物有效性。然而，如果四环素与悬浮在水中的土壤颗粒结合在一起，它们就不会成为生物可利用性。”

他补充说，那些更容易被细菌利用的基因预计会施加更大的选择性压力。李指出，抗生素耐药性一直存在于环境中，如果需要，细菌会获得耐药基因。

“如果你有来自化学物质或其他抗生素的选择性压力，暴露的细菌会自我保护。它们会将耐药基因带入体内，并将这些基因转移给其他细菌。所有这些都增加了抗生素耐药性的环境来源。”

李同意博伊德的观点，除了创新的工具和设备，合作也是工作的重要组成部分。

“例如，作为一名土壤化学家，我对微生物学了解不多，”李说。“通过与詹姆斯·蒂杰(James bob体育登录Tiedje)等其他领域的研究人员合作，我们可以获得更多信息，从而促进我们自己的研究。”

利用地吸附剂隔离土壤中的污染物

新的分子工具使研究人员能够测量土壤中ARGs的增殖，这有助于推bob体育登录进Boyd的工作密歇根州立大学大学植物、土壤和微生物科学特聘教授。他的研究bob体育登录主要集中在土壤中有机污染物和农药的环境命运和影响。

“我们可以使用工程细菌作为非常敏感的药物探测器，如四环素，我们不需要像以前那样在真正清洁的系统中工作。这是向前迈出的一大步。”“在分析方面，LC-MS/MS使我们能够处理更复杂的混合物，并在较低浓度下检测它们，这在处理药物方面很重要。”

他的研究bob体育登录始于20世纪80年代，最近已扩展到土壤中的药物。

“药物——从可待因到四环素到抗抑郁药——都出现在环境中，特别是当你观察地表水时，”博伊德说。

土壤和水中的药物被认为是新出现的污染物，因为它们没有受到严格的监管。

博伊德解释说:“例如，土壤中没有饮用水标准或对它们的容忍度，但工业有机化合物和农药受到监管，以限制它们在土壤和地下水中的出现。”

在与Li和Teppen的合作中，Boyd正在研究如何使土壤隔离污染物，无论是工业或制药有机分子，并利用生物利用度作为管理土壤和沉积物污染所带来的风险的一种方式。

Boyd解释道:“基本原理就是我们所说的吸附剂修正案。“我们想看看土壤和沉积物中被地吸附剂隔离的污染物分子对目标生物(无论是细菌还是人类)的生物利用度是否会降低。一个分子在进入细菌、植物或人类细胞之前，必须从地球吸附剂中逃逸吗?这些都是我们试图回答的基本问题，因为它们具有重大的实际意义。”

博伊德和他的合作者最感兴趣的地理吸收剂是木炭——本质上是烧焦的植物材料碎片。一些炭自然存在于土壤中，但它可以作为生物燃料生产的副产品产生。它们作为地理吸附剂也很有吸引力，因为它们是一种有效的固碳方式。此外，炭在作物生长方面有利于土壤生产力。

博伊德说:“最重要的是使用炭或其他一些吸附剂来降低土壤和沉积物中作为污染物的化学物质的生物利用度。”“这降低了与这些污染物相关的风险，并可能让我们安全地放松清理标准。例如，这可能会允许使用有限的资金来修复更多的污染场地。”

抗生素化学形态的建模

环境中的任何抗生素都可能同时以多种化学形式存在。例如，有些附着在水中溶解的化合物上，有些附着在土壤颗粒上。泰彭试图理解这种复杂性。

“我们称之为化学物种形成，”植物、土壤和微生物科学教授泰彭说。“我们使用计算工具试图模拟抗生素在各种形式中的复杂分布。”

首先，在各种受控条件下收集实验数据。

“然后我们使用化学模型来帮助我们从数据中提取所有信息。一个目标是确切地了解特定抗生素的哪种化学形式会引起细菌的耐药性，”Teppen解释说。“也许到那时，我们就能提出管理方案，最大限度地减少施用肥料的领域的抗生素耐药性选择压力。”

这个问题没有简单的答案

尽管技术和设备不断进步，有助于ARG研究，但解决方案并不容易。bob体育登录李和其他研究抗生素耐药性问bob体育登录题的研究人员认为，必须更好地管理和控制动物喂养操作中的抗生素。

“但是，与此同时，我们需要开发有效的治疗程序，以减少抗生素在环境中的影响，”李解释说。“例如，我们需要在动物粪便设施中采用更先进的处理方法来处理抗生素及其耐药基因(arg)，但目前很难做到这一点。如果我们更多地了解环境中的基本过程，以及它们如何影响微生物群落，也许我们可以找到更好的方法来减轻抗生素耐药性效应。”

对于Tiedje来说，最终目标是将耐多药病原体的发展速度降至最低。bob体育登录使用新技术的研究可以确定干预点，新的或改变的实践可以降低这种风险。

Tiedje说:“找到新的抗微生物药物是极其困难的，所以我们必须尽可能长时间地保护现有药物的有效性。”“一个原则是不要在动物身上使用人类使用的重要抗生素。”

他们的想法是，即使微生物对这些动物药物产生耐药性，也不会影响人类药物的有效性。

Tiedjbob体育登录e解释说:“然而，我们的研究始终表明，由于增选，这一原则并不可靠。”换句话说，抗生素对一种药物产生耐药性也会导致对其他药物产生耐药性，包括对人类使用重要的药物。这是因为耐药基因已经连接在同一段DNA上，并一起转移到新的微生物中。当这种转移的受体是人类病原体时，一种耐多药病原体就诞生了。”

抗生素耐药性小册子