便携式DNA测序成功追踪屠宰场废水中耐药微生物

Portable DNA sequencing successfully tracks drug-resistant microbes in slaughterhouse wastewater

抗生素是医学史上最伟大的成就之一——但这些救命工具也有其阴暗面。它们的持续使用可能会产生“超级细菌”——对人类、动物和环境构成威胁的耐药微生物。

在一个首次试点项目中，来自联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations）、印度尼西亚农业部（Indonesia's Ministry of Agriculture）和亚利桑那州立大学的研究人员测试了一种手持式DNA测序设备在印尼国家抗生素耐药性监测系统中的创新整合。研究覆盖了大雅加达地区的六家鸡肉屠宰场，并从废水和周边河流中采集了样本。

目标是确定便携式DNA测序是否能提高国家追踪耐药大肠杆菌的能力。耐药大肠杆菌是抗生素耐药性的重要指标。

研究发现，屠宰场废水中的耐药细菌可能正在进入附近的河流。在许多情况下，下游地点的耐药大肠杆菌水平高于上游，这表明耐药性可能通过动物废物传播到环境中。

然而，这项研究还展示了便携式DNA测序如何加强国家监测工作——使其更容易检测抗生素耐药热点，并为减少其传播提供更有针对性且成本效益更高的解决方案。耐药大肠杆菌菌株可能导致一系列疾病，尤其是腹泻，儿童、老年人和免疫功能低下的人群尤其易感。

“在某些情况下，腹泻不仅仅是不舒服——它是致命的，”资深作者李·沃斯-盖德特（Lee Voth-Gaeddert）说道，他是亚利桑那州立大学生物设计中心健康微生物组（ASU Biodesign Center for Health Through Microbiomes）的研究员。他的同事以及国际合作者也参与了这项研究。

这种移动测序方法可以扩展到农场和湿市场，或用于追踪其他病原体，如禽流感。

该研究发表在《抗生素》（Antibiotics）期刊上。

将实验室检测带到前线

抗生素耐药性是一个日益严重的全球危机。它发生在细菌进化以抵抗本应杀死它们的药物时。当人们感染这些细菌时，常规抗生素将无效。仅在2021年，抗生素耐药性就导致了近500万人死亡。预计到2050年，这一数字将翻倍。

传统监测依赖于基于培养的技术，这需要将样本运送到实验室。对于拥有超过14,000个岛屿的国家印尼来说，这是一个挑战。

新项目测试了一种名为MinION的设备，该设备利用便携式纳米孔DNA测序技术，在采集点快速分析遗传物质。该设备小到可以放在手掌中，并由笔记本电脑供电，其结果与高成本实验室系统相当。

该项目监测了一种对广谱抗生素具有耐药性的细菌菌株，该菌株被美国疾病控制与预防中心（Centers for Disease Control and Prevention）认定为重大威胁。这种大肠杆菌菌株通常被用作检测其他危险耐药细菌存在和传播的代理指标。

“它不是最糟糕的那种，但它确实被列入了CDC关注病原体名单，”沃斯-盖德特说，他同时也是朱莉·安·里格利全球未来实验室（Julie Ann Wrigley Global Futures Laboratory）的高级全球未来科学家。“我们经常将其作为抗生素耐药性的主要指标。”

样本取自屠宰场废水以及上下游河流地点。大多数在废水中发现的大肠杆菌都是耐药的。同样的耐药模式出现在下游，但未出现在上游，这表明屠宰场废物是来源。

“这并不令人意外，”沃斯-盖德特说。“许多屠宰场直接建在河边。屠宰过程需要用水，但也使废物处理更加方便——尤其是液体废物。”

废物处理与风险的多样性

研究记录了各设施在废物管理方面的巨大差异。一些设施有处理系统，而另一些则未经处理直接排放废物。

尽管研究人员没有评估处理系统的有效性，但他们发现经过处理和未经处理的样本中都存在耐药细菌。这不仅引发了对基础设施差距的担忧，还引发了对现有系统的维护、监管和监督的关注。

根据最近的一项研究，全球范围内，家庭、医院和农业径流的废水是河流中抗生素残留的主要来源——尤其是在东南亚。当抗生素残留在环境中时，它们创造了条件，使细菌能够发展出新的耐药机制，这让高质量监测变得更加紧迫。

为了更好地了解风险，研究团队不仅识别了细菌，还对其遗传物质进行了测序。他们发现的许多耐药基因位于质粒上——质粒是小型可移动的DNA片段，可以在细菌之间转移并将耐药性传播到不同物种。

使用MinION设备，研究人员识别了这些基因以及毒力因子和特定细菌菌株，与传统实验室方法相比，准确率高达100%。这些发现表明，即使在非顶尖研究环境中，高分辨率基因组监测也是可行的。

“同一健康”，多条战线

该项目植根于“同一健康”（One Health）框架，该框架认识到人类、动物和环境健康之间的深刻联系。

“如果我们只用狭窄的视角来看待问题，就会错过许多潜在的关键点来控制抗生素耐药性的传播，”沃斯-盖德特说。“这里有很多机会。这就是为什么会有如此大的推动力来促进‘同一健康’。”

印尼的环境多样性和抗生素耐药性监测经验使其成为试点新工具的理想地点。但随着抗生素耐药性跨越国界和生态系统传播，这些见解在全球范围内同样具有相关性。

像MinION这样快速、经济实惠且本地可及的工具可能会显著推进我们追踪和控制多种微生物威胁的努力。

更多信息：Rallya Telussa等人，《将纳米孔MinION测序整合到国家动物健康抗菌素耐药性监测计划中：印尼鸡肉屠宰场废水和河流试点研究》，《抗生素》（2025）。DOI: 10.3390/antibiotics14070624

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