近日，来自上海大学环境与化学工程学院王菲菲老师团队，在国际知名期刊Journal of Environmental Sciences上发表了新研究成果，该团队的秦蔚然、章海婷为并列第一作者。本研究利用昊为泰AccuMetaG^®宏基因组绝对定量测序专利技术，系统评估了疫情期间强化氯化消毒下药物驱动的消毒副产物形成与抗性基因富集问题。研究结果不仅揭示了药物在DBPs生成中的核心作用，还通过绝对定量测序精准刻画了抗性基因在不同氯化条件下的动态变化，为公共卫生紧急状态下污水处理策略的优化提供了重要参考。

• 英文题目：Pharmaceutical-Driven Disinfection By-products Formation and Antibiotic Resistance Gene Enrichment under Intensified Chlorination during Pandemic

• 中文题目：疫情期间强化氯化消毒驱动药物消毒副产物形成与抗性基因富集

• 发表期刊：Journal of Environmental Sciences

• 影响因子：6.3

• 发表时间：2025年6月

  

本研究内容概要图

1、药物是强化氯化污水中DBPs的主要前体：贡献比例高达78.8%，远超天然有机物前体。

2、高氯剂量显著提高DBPs产率与毒性：DBPs浓度与毒性比常规氯化条件高 1–2个数量级。

3、溴代祛痰药与碘造影剂的高毒性风险：溴代祛痰药生成的溴代副产物毒性高，碘造影剂则生成强毒性的碘代酰胺类DBPs。

4、强化氯化驱动抗性基因选择性富集：低氯条件促进ARGs扩散，而高氯条件则选择出高度耐氯、具强抗药性的多重耐药菌群。

在本研究中，绝对定量宏基因组测序精准揭示ARGs在不同氯化条件下的真实丰度与动态变化，而非仅依赖相对比例。与相对定量相比，它避免了因样本总量变化导致的偏差，揭示了高氯条件下多重耐药基因的真实富集趋势，这是评价环境风险与制定控制策略的关键优势。

研究选用6种疫情期间高频检出药物（多西环素（DOXH）、阿莫西林（AMO）、盐酸氨溴索（AMB）、盐酸溴己新（BRO）、碘帕醇（IPM）及碘海醇（IHX）），分别代表抗生素、溴系祛痰药与碘造影剂。DBP的生成是将混合药物加入到污水中，设低(100 µmol/L)、中(400 µmol/L)、高(2000 µmol/L)三档NaClO剂量，反应120 min，利用气相色谱-电子捕获检测器（GC-ECD）检测THMs（trihalomethanes，三卤甲烷）、HAAs（haloacetic acids，卤代乙酸）、HANs（haloacetonitriles，卤代乙腈）、HAMs（haloacetamides，卤代乙酰胺）等DBPs，并计算其产率与毒性指数。之后还做了单一药物实验，用一定量的各药物与NaClO反应后，同法检测DBPs。微生物检测实验是将污水富集菌悬液后，设无氯对照、低余氯6.7 µmol/L、高余氯134.2 µmol/L三组，曝露24 h；采用昊为泰宏基因组绝对定量测序技术（Illumina NovaSeq，10 Gb）测定ARGs、MGEs丰度，并注释ARG宿主菌群。

药物对DBPs生成潜力的贡献

本研究首先比较了在无药物（CI）与多种药物存在（CI+Drugs）条件下，污水中DBPs的生成情况。结果显示，随着氯剂量升高，DBPs浓度显著增加。在含药污水组中，总DBPs浓度明显高于无药污水组，药物贡献率分别达到 29.2%、55.8%、78.8%（图1）。药物结构中的溴、碘元素显著促进了溴代与碘代DBPs生成，含药污水中的 Br-DBPs 与 I-DBPs 浓度显著高于对照组。这表明药物在强化消毒条件下是DBPs形成的关键前体。

图1. 低、中、高氯化水平下，无药物（CI）与多种药物存在（CI+Drugs）污水中C-DBPs和N-DBPs的形成情况。

单体药物在不同氯化条件下的DBPs生成特征

研究进一步检测六类典型药物（抗生素、溴代祛痰药、碘造影剂）在不同氯浓度下的DBPs生成。结果发现：在高氯条件（2000 µmol/L）下，大多数药物的DBPs产率显著增加。溴代祛痰药AMB和BRO的DBPs产率提高。碘造影剂IPM在高氯下分解加速，生成大量C-DBPs（图2）。

图2. 药物在不同氯剂量下的DBPs形成情况。

DBPs的细胞毒性风险

研究者计算了不同药物生成的DBPs细胞毒性指数。结果显示：抗生素（DOXH、AMO）在400 µmol/L氯条件下毒性达到峰值。溴代祛痰药生成的Br-HAMs毒性比其他药物高 1–2个数量级。碘造影剂生成的MIAM毒性极高，即使在低氯水平下也表现出显著毒性（图3）。

图3. 疫情常用药物在不同氯剂量下生成的DBPs细胞毒性。

药物前体的DBPs生成与毒性差异

对比六种药物前体发现：溴代祛痰药生成的C-DBPs量级远高于N-DBPs，且毒性贡献主要来自Br-DBPs。抗生素主要生成高毒性的DCAN。碘造影剂虽产率较低，但生成的I-HAMs毒性极高（图4-5）。

图4. 六种药物在6 h氯化过程中生成的C-DBPs和N-DBPs的摩尔产率。

图5. 六种药物在6 h氯化过程中生成的DBPs的细胞毒性

强化氯化对抗性基因（ARGs）的影响

通过昊为泰宏基因组绝对定量测序，研究发现低氯残留组ARGs总量上升，多重耐药基因MexB等被显著上调。高氯残留组ARGs总量下降，但多重耐药基因亚型被富集，提示氯耐受菌株具有更强抗性。

图6. 各处理组中ARGs的绝对丰度（拷贝数/mL菌液）。对照组（Control）、低氯组（Low Cl）、高氯组（High Cl）分别代表暴露于无氯、6.7 μmol/L氯和134.2 μmol/L氯的样本。

此外，研究发现低氯条件促进了ARGs与可移动遗传元件（MGEs）的共现性，增加水平转移风险（图7），而高氯条件筛选出耐氯的多重耐药菌属，如大肠杆菌、克雷伯菌等（图8）。

图7. 各处理组中与ARGs共存的移动遗传元件（MGEs）的绝对丰度（拷贝数/mL细菌液）。对照组（Control）、低氯组（Low Cl）、高氯组（High Cl）分别代表暴露于无氯、6.7 μmol/L氯和134.2 μmol/L氯的样本。

图8. 各处理组中潜在ARG宿主的分布（展示了绝对丰度高的前30个宿主属）。对照组（Control）、低氯组（Low Cl）、高氯组（High Cl）分别代表暴露于无氯、6.7 μmol/L氯和134.2 μmol/L氯的微生物样本。

该研究采用药物氯化实验+绝对定量宏基因组测序，系统揭示了疫情期间强化氯化带来的双重风险：1）DBPs风险：药物显著促进高毒性溴代、碘代DBPs的生成，细胞毒性比常规条件高1–2个数量级。2）抗性基因风险：低氯条件促进ARGs扩散，高氯条件则选择高度耐氯的多重耐药菌群。这些发现提示在公共卫生应急消毒中，应合理控制氯剂量，避免过量投加引发二次污染与抗性风险，为今后应对类似公共卫生事件提供了重要借鉴。