抗微生物药物耐药性（antimicrobial resistance, AMR）是当前全球公共健康面临的重要挑战之一。农业沟渠作为农田排水、灌溉和污染物质迁移的重要通道，连接村庄、农田与河流网络，具有较强的水文连通性和物质交换能力。与河流、湖泊等大型水体相比，农业沟渠水流缓慢、沉积物累积明显，更容易成为抗生素、抗性基因及其潜在宿主微生物的富集场所。然而，现有研究多关注单一河流或农田系统，对多级沟渠-河流连续体中AMR风险形成和空间分布、抗生素与微生物如何主导风险等问题仍缺乏系统认识。
本研究以华北平原典型农业区为研究对象，于2024年夏季开展野外采样，共采集13个多级沟渠-河流连续体系统中的48个沉积物样品，覆盖河流、干渠、支渠和斗渠等不同层级（图1）。结合典型抗生素靶向检测、宏基因组测序、环境因子分析，该研究将风险熵、抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）致病性和迁移性整合到一个多指标风险框架中，使用随机森林建模，全面准确地评估了AMR风险。
图1 多级沟渠-河流连续体概念图和AMR风险分布
研究发现，多级沟渠-河流连续体中普遍存在抗生素、ARGs和可移动遗传元件（mobile genetic elements，MGEs），共识别出193种ARGs和20种MGEs。不同沟渠单元之间的AMR风险存在明显差异，整体表现为：斗渠最高，其次为干渠和河流，支渠相对较低。AMR风险由微生物对环境压力的适应以及环境因子的共同选择决定。虽然抗生素仍可通过选择压力影响ARGs的产生和传播，但在多级沟渠-河流连续体沉积物中，微生物对环境压力的适应以及环境因子的共同选择是驱动AMR风险形成的重要机制。随机森林模型结果显示，MGEs是影响ARGs丰度的重要因素；同时，微生物群落、沉积物有机碳、营养盐和水体盐度等环境因子之间的交互作用，也会显著影响ARGs和MGEs的分布。进一步分析发现，不同区段具有不同的微生物响应模式。斗渠靠近农田和村庄输入端，受农业活动、生活污水和环境压力共同影响，微生物代谢重组和能量需求增强，进而可能促进ARGs积累并形成较高AMR风险。相比之下，支渠沉积物中较低的ARGs和MGEs负荷，以及与碳代谢相关的功能特征，可能限制了ARGs的进一步扩散。这一发现提示，农业沟渠系统内部不同水文单元并非具有相同风险，而应根据其位置、连通性和沉积物环境特征进行差异化管理。
此外，研究团队识别出bacA、ceoB和MexE三个关键ARGs亚型，可作为多级沟渠-河流连续体及其相关环境中AMR风险监测的重要指示基因。这些基因与潜在宿主微生物和MGEs之间存在紧密关联，说明其不仅具有较高的风险贡献，也可能反映沉积物中ARGs迁移和传播的关键过程。研究同时指出，提升沉积物有机碳水平可能是降低AMR扩散风险的潜在途径之一，其作用可能与抑制MGEs介导的基因传播、改变微生物竞争关系以及降低高风险宿主菌富集有关。
该研究从“抗生素残留-抗性基因-宿主微生物-环境共选择”耦合视角，建立了农业沟渠沉积物AMR综合风险评价框架，突破了以往仅依赖抗生素浓度或ARGs丰度判断风险的局限。研究结果表明，在农业沟渠-河流连续体中，风险管理不仅应关注污染物浓度本身，还应重视沉积物微生物群落和环境压力的共同作用。该研究可以为农业水系中AMR风险的早期识别、重点区域管控和生态健康维护提供重要参考。
研究成果以论文形式发表在中国科学院一区top期刊 Journal of Hazardous Materials。天津大学地球系统科学学院2024级博士生吴祥瑶为该论文第一作者，戚羽霖教授为通信作者。该研究得到国家自然科学基金、天津大学研究生文理拔尖创新奖励计划的资助。
论文信息：Xiangyao Wu, Yulin Qi*, Lingchen Meng, Keyan Li, Chao Ma, Dietrich A. Volmer, Chunmei Chen, Peizhe Sun, Pingqing Fu, Zhifeng Yan. Microbial adaptation and environmental co-selection drive antimicrobial resistance risk in agricultural ditches, evidence from the multilevel ditch-river continuum. Journal of Hazardous Materials, 2026, 142452. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2026.142452.
