抗生素作为一种抗细菌、抗真菌和抗寄生虫的药物，不仅可用于预防和治疗人和动物的细菌感染，也可作为饲料添加剂用于畜禽养殖过程中的疾病预防。中国是世界上最大的抗生素生产国和消费国，抗生素消费量超过16.2万t^[1]。过量使用或滥用抗生素现象较为普遍，大量抗生素在人类和动物体内没有完全代谢吸收，大部分以原形排出体外进入到水环境等自然环境中^[2]，导致抗性细菌(antibiotic resistant bacteria, ARB) 和抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs) 的出现、发展和传播^[3]。

2014年全球因抗性细菌感染而导致死亡的人口达到70万，预计2050年这一数值将会达到1 000万^[4]，抗生素耐药性对全球健康构成了巨大威胁。随着分子生物学检测技术的发展，qRT-PCR、RT-PCR、数字PCR、epicPCR、高通量PCR、DNA芯片和高通量测序等技术在河流^[5]、湖泊^[6]、土壤^[7]、沉积物^[8]、粪便^[9]、污水处理厂^[10]、畜禽养殖场^[11]和医院废水^[12]等多种环境介质中检出多种ARGs，甚至在受人类影响较小的地区，如深海^[13]、青藏高原^[14]和冻土沉积物^[15]中也均检测出四环素类、磺胺类、甲氧苄氨嘧啶类、万古霉素类、喹诺酮类和大环内酯类等多种ARGs。

生物气溶胶是空气中的生物颗粒物，其大小从亚微米到几百微米不等，在这些胶体体系中，分散着由微生物(包括细菌、病毒、霉菌孢子、蕨类孢子和寄生虫卵等)、微生物代谢物、毒素和悬浮在空气中的小液滴和固体颗粒，生物气溶胶的来源是植物、动物(包括人类)、土壤和水，是大气污染物的一个重要来源^[16]。生物气溶胶能携带和传播有害病原微生物，如2003年的SARS冠状病毒(SARS-CoV-1) 和2019年的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)^[17]。ARBs和ARGs也可以通过空气颗粒物质和气溶胶传播。生物气溶胶是大气污染物的一个重要组成部分，可以在空气中悬浮数小时，并能长距离传播，气溶胶中的ARBs和ARGs易被人体吸入并进入肺部^[18-19]。人体吸入的携带ARGs的微生物会引起呼吸道细菌的不平衡，并影响免疫系统。研究表明，空气中携带ARGs的人源致病菌与多种呼吸道疾病和感染密切相关^[20]。此外，由于ARGs的传播特性，即使在不使用抗生素的偏远地区也仍可能暴露在“二手” ARGs之中^[21]。目前，关于水、土壤等环境介质中ARGs分布规律的研究报道较多，但对于空气及气溶胶中ARGs分布特征的研究报道较少。

系统跟进和掌握气溶胶中ARBs和ARGs最新研究进展对识别和降低气溶胶中ARBs和ARGs潜在健康风险至关重要。本文对人类生活功能场所、养殖场、城市污水处理厂及医院等不同环境气溶胶中ARGs的污染现状、传播途径及潜在危害进行了系统性总结(图 1)，为进一步系统跟进掌握气溶胶中ARGs的污染健康风险研究提供依据。

1 气溶胶中ARGs的传播及危害 1.1 ARGs的传播扩散

空气气溶胶的ARGs的传播过程主要有3个部分：(1) ARB和ARGs的分离和气溶胶化；(2) 生物气溶胶的运输；(3) 生物气溶胶的沉积^[22]。人类自然活动等人为因素以及湿度、温度、风况和空气污染情况等物理因素，是影响生物气溶胶传播和运输的主要影响因素^[23]。大气颗粒中存在的ARGs和ARBs可以通过降雨或降雪返回地球表面，从而促进ARGs的远距离传播。Wang等^[24]通过观察PM2.5作为ARGs的载体在整个降雨过程中其丰度的变化，结果发现雨水促进了ARGs的传播。风力的大小和PM2.5也是影响雨水中ARGs分布的气象参数，土壤微观试验表明了雨水能促进ARGs从环境空气向土壤的扩散，在重金属污染土壤中这种影响更为明显。Zhu等^[25]对中国主要城市的44个新鲜雪样本、3个北美城市和1个欧洲城市的ARGs进行了特征分析，结果表明空气污染会加剧了ARGs在新鲜雪中的传播，严重增加空气污染和ARGs的健康风险。由于空气动力学的特性，ARGs也可以由风极端天气事件(如沙尘暴) 进行长距离的运输^[26]。

细菌耐药性可以通过抗生素选择压力下发生的基因突变及亲代与子代之间基因垂直转移获得，也可以通过基因水平转移获得。基因水平转移是ARGs在微生物间扩散的最主要方式，细菌通过接合转移获得的ARGs也会在环境中长时间存在^[27]。环境中多种污染物会对ARGs的水平转移产生影响，包括抗生素、重金属和防腐剂等污染物。抗生素通常是ARGs扩散的主要驱动力，产生选择性压力或者通过刺激遗传元件的转移从而间接推动ARGs的扩散^[28]。然而气溶胶中的污染物对于ARGs扩散的影响并不清楚，有必要了解不同化学品如抗生素和金属等对生物气溶胶中ARGs的分布及赋存状态的影响。与传统的化学污染物相比，ARGs可以通过整合在质粒、转座子、整合子和噬菌体等可移动遗传元件(mobile genetic elements, MGEs) 在同一或不同物种的细菌之间转移和传播^[29]，然而气溶胶中MGEs的来源与分布，以及MGEs在ARGs传播、扩散过程中的作用需要进一步探究。

1.2 ARGs的危害

近年来，抗生素耐药性已经成为一个全球性的问题，并受到了极大的关注^[30]。2013年，英国政府发布了一项五年战略，以解决抗生素耐药性问题。2019年，美国疾病预防控制中心发布了一份报告，指出需要高度警惕抗生素耐药性造成的威胁。随着城市化和人口密度的增加，未来通过空气气溶胶传播的抗生素耐药性只会越来越严重^[31]。

通常情况下，空气中的微生物因为大气中的营养物质及水分较少而活性较低^[32]。然而，它们可以在有利的环境中快速恢复其生物活性并迅速增殖^[33]。人暴露于公众(非职业) 和职业环境中会吸入大量的生物气溶胶，据报道，在城市地区，一个成年人每天吸入大约10⁷–10⁸个细菌^[34]。吸入的生物气溶胶含有ARBs和ARGs，特别是携带了多种ARGs的致病性ARBs，进入人体的呼吸道系统后快速恢复其活性并增殖，可能对人体健康造成直接损害^[35]。其次，研究发现人体暴露在农场环境下，吸入的生物气溶胶会改变人体的肠道微生物群落，并增加了潜在的致病菌数量和ARGs水平^[36]。

研究表明，从猪和鸡粪中释放的气溶胶中含大量病原体，其中大约80%的生物气溶胶是可呼入的^[37]。致病菌可能穿过呼吸道并沉积在气管、支气管和肺泡区更深处^[38]，存在于细颗粒物中的ARGs很可能是向人体呼吸系统传播的重要途径。张兰河等^[39]发现，动物舍内的四环素和红霉素耐药菌气溶胶主要沉降在人体的咽喉和支气管，这无疑危害着动物饲养员的生命健康。过去，人们认为耐药微生物引起的感染主要来自医疗机构，但在过去几年里，ARBs在许多不同的环境中被检测到。

2 不同空气环境气溶胶中ARGs污染现状 2.1 人类活动功能场所

人类大约85%的时间都在封闭的空间中活动。与室外空气相比，封闭的空间有利于人类通过空气传播ARBs和ARGs，家庭、学校、办公室、室内娱乐和体育场馆等室内密闭活动场所中人类粪尿排泄物及唾液、喷嚏等分泌物成为ARGs和ARBs的源头。由于室内空气流通性不足，使得气溶胶中的ARGs和ARBs有更多机会通过摄取、皮肤接触和呼吸吸入等方式与人类接触，环境暴露风险较高^[40]。同时，呼吸吸入的ARGs和ARBs可显著增加鼻咽部细菌负荷，进一步驱动免疫耐受性和免疫反应，导致严重侵入性呼吸道细菌疾病的发生^[41]。

目前，研究学者已经在实验室^[42]、幼儿园^[43]和大学宿舍^[44]等生活功能场所室内环境气溶胶中检出多种类型的ARGs。Zhao等调查了大学宿舍、办公室和室外环境气溶胶中ARGs及细菌微生物组丰度，结果表明，与室外气溶胶相比，室内气溶胶中有着更高丰度的ARGs亚型、可移动遗传元件(1–7个数量级) 和16S rRNA基因(2–3个数量级)，并成功分离出对碳青霉烯类和多粘菌素B具有抗性的按蚊伊丽莎白金菌(Elizabethkingia anopheles)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumonia) 和池生戴尔福特菌(Delftia lacustris) 等菌株^[44]。

相较于成人，儿童在幼儿园的时间长，幼儿呼吸频率较高，感染免疫力较低，幼儿园室内环境的抗微生物药物耐药性研究需引起重视。与其他持久性有机污染物相比，室内中的ARBs和ARGs比室外更丰富，ARBs和ARGs可以通过直接吸入对人类呼吸系统产生不利影响。Li等^[43]对香港17所幼儿园中大气及土壤环境中ARGs的传播特征进行了调查，调查结果显示幼儿园空调过滤器中存在16种ARGs，采集的土壤样本中存在12种ARGs。在空气样本中，磺胺类ARGs最丰富(其丰度达到了6.9×10⁻³–0.2 copies per 16S rRNA基因)，其次是大环内酯类ARGs (其丰度达到了1.8×10⁻³–3.3×10⁻² copies per 16S rRNA基因)。而在土壤样品中，磺胺类ARGs和四环素类ARGs是丰度最高的2种ARGs，这可能归因于这两种药物的历史使用所产生的遗留效应。

各种室内娱乐和体育场馆，如健身房和游泳池，也是空气气溶胶传播ARBs和ARGs的潜在热点区域^[45]。由于人类在身体活动时，呼吸加快导致空气吸入率高于正常水平，这增加了ARBs和ARGs生物气溶胶的呼出和吸入^[46]，其次室内娱乐和体育设施人口密度较高和通风系统差等原因，人们的剧烈活动会影响室内体育设施的空气质量^[47]。Małecka-Adamowicz等对不同体育设施(健身房、武术室、游泳池、体育馆) 和运动场地中空气微生物质量进行评估，结果显示分离的葡萄球菌73%对青霉素具有抗性，90%以上的葡萄球菌对庆大霉素、左氧氟沙星和利福平具有抗性^[45]。

2.2 养殖环境

畜禽养殖场中的粪便和污水是水环境^[7]和空气气溶胶中ARGs的主要来源^[48]。养殖场内有大量动物排出的粪便尿液及养殖过程中产生的废水和废物，其中含有ARBs和ARGs在动物移动期间和处理过程中很容易被气溶胶化。畜禽粪污在厌氧发酵及好氧堆肥过程中会产生气溶胶，携带ARGs的致病菌从而逸散进入舍内空气中^[49]。Yang等采用宏基因组方法对从养猪场和养鸡场收集的总悬浮颗粒中的ARGs进行了综合分析发现，在畜禽养殖场总悬浮颗粒的ARGs分布与各养殖场动物粪便中的分布特征一致，说明动物粪便可能是各畜禽养殖场空气中ARGs的主要来源^[50]。Song等^[51]对养猪场粪便及气溶胶中的ARGs和MGEs进行定量分析，结果发现，空气气溶胶样本和粪便样中的ARGs和MGEs丰度的季节差异为冬季 > 夏季，可能的原因是养猪场冬季为了保温而减少空气流通。MGEs中的IS613可以增强空气气溶胶中ARGs的传播，通过计算粪便对空气气溶胶中细菌的平均贡献比例，发现粪便中的细菌是冬季猪场空气中细菌的主要来源，通过网络分析ARGs、MGEs和细菌群落的共生互斥关系，气溶胶中存在的多种细菌是不同ARGs和MGEs的宿主，表明气溶胶是猪场抗生素抗性基因的重要传播途径。

养殖粪污的处理如厌氧处理(沼气发酵) 及堆肥过程也是气溶胶中ARGs的重要来源。Zhang等^[52]在沼气池中检测到42种ARGs亚型，其中有28种可以通过气溶胶扩散到大气中，沼液贮藏过程降低了沼液中ARGs的总相对丰度，贮藏30 d后ARGs的总相对丰度降低了0.35 copies per 16S rRNA，但增加了tetM、tetX、tetQ、tetS、ermF和sul2等ARGs亚型的丰度。沼气池中检测到bla_NDM-1、mcr-1和万古霉素耐药基因(vanA、vanB、vanRA和vanSA)等关注度比较高的ARGs，气溶胶中检测到bla_NDM-1和vanB，这表明在沼气池存储过程中存在ARGs分散的潜在风险。

养殖场内空气气溶胶中的ARGs可以通过传统通风方式从舍内传播到舍外，从而将源于畜禽养殖场舍内的气溶胶在舍外传播。Gibbs等^[53]采集距离养猪场不同距离(25、50、100和150 m) 的空气样本，发现耐药性金黄色葡萄球菌浓度随着距离的增加逐渐减少。Mceachran等^[54]发现，肉牛饲养场附近空气颗粒物样品中，四环素类ARGs在下风向气溶胶中的丰度显著高于上风向气溶胶。

2.3 城市污水处理厂

城市污水处理厂汇集了人类生产生活过程中产生的大量生活污水、医疗污水和工业废水等^[8]。城市污水处理厂是ARBs和ARGs的重要储存库，也是实现其削减的重要环节。然而城市污水处理厂多采用生化处理，污泥中营养物丰富，细菌群落丰度高，抗生素污染严重且抗性细菌丰富^[55]。同时，污水中含有葡萄球菌、芽孢杆菌、大肠杆菌、克雷伯氏菌和分枝杆菌等多种潜在病原体^[56]。在污水处理过程中，污水中的抗性细菌在污水的紊流和曝气过程中释放到空气中，尤其是在污水的曝气阶段^[57]。Han等^[58]发现，污水处理过程在稳定曝气条件下产生的单个气溶胶尺寸分布范围为68−350 nm，气溶胶中含有大量的金属和非金属元素以及潜在的致病菌及病毒，通过宏基因组测序分析发现在气溶胶中还存在着大量的ARGs和毒力因子(type Ⅳ pili、flagella和C5a peptidase等)，因此污水处理过程中产生的气溶胶存在一定的环境耐药性风险。

城市污水处理厂污水处理过程中产生的气溶胶能够通过呼吸和接触等方式侵入人体，对城市污水处理厂的工作人员产生一定危害。Zieliński等^[59]对城市污水处理厂污水、受纳河流水样和污水处理厂员工鼻腔处采集的咽拭子样本分离出的葡萄球菌的耐药性进行了检测，结果发现从进水水样中分离出来的菌株有63%被鉴定为金黄色葡萄球菌，20%携带万古霉素抗性基因vanA，80%的分离株存在hla毒力基因，27%存在pvl毒力基因。在从员工咽拭子样本分离的菌株中，82%被鉴定为金黄色葡萄球菌，分离的菌株中有14%和16%分别含有万古霉素抗性基因vanA和甲氧西林抗性基因mecA。同时，对分离的菌株进行了遗传亲缘分析，结果显示ARGs和ARBs通过废水生物气溶胶传播到污水处理厂员工的上呼吸道粘膜，从而增加了员工接触ARGs和ARBs的机会及潜在健康风险。

随着城市的不断扩张和人口的增长，曾经偏远的城市污水处理厂周围逐渐出现大量居民区，城市污水处理厂逸散到空气中的气溶胶越来越受到人们的重视。Gaviria-Figueroa等通过PCR对城市污水处理厂各个风向的生物气溶胶和活性污泥中检测出44个ARGs，对多种抗生素具有耐药性。样本间ARGs的差异性分析结果显示，城市污水处理厂下风向生物气溶胶ARGs与活性污泥样本的ARGs相似度为68%，且通过初步参数分散模型预测出活性污泥中ARGs约以10 620 copies/h的速率释放至气溶胶中，依据风速生物气溶胶有可能被带离污水排放源数公里^[60]。

2.4 医院环境

医疗机构作为广泛使用抗生素药物和常规使用抗菌化学品的特殊功能场所，是气溶胶微生物污染的重要场所^[61]。之前的研究表明，近年来医院环境的细菌耐药性明显升高^[62]，且医院中的获得性感染一直被认为是导致患者死亡的重要原因之一^[63]。医疗废水和医疗废弃物中存在大量抗生素可能促进ARGs的发生，员工服装^[64]、电话^[65]、键盘^[66]、空调及患者病床上^[67]等医院环境中均检测出大量的ARGs。Abreu等^[68]曾在医院的同一设备上分离出与医院感染相关的嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)和嗜线虫沙雷氏菌(Serratia nematodiphila) 等多种病原菌，这些病原菌在空气中弥漫和扩散，易造成患者之间的交叉感染，同时严重影响到医务人员的健康。

医院内部空气和医院周围空气中的灰尘是ARBs和ARGs的主要储存库和传播载体，从医院环境中分离出来的菌株往往都具有耐药性。Li等^[63]通过宏基因组学调查和分析了不同气流条件下的医院空调空气尘埃样本，结果表明空气粉尘样品中含有多种ARGs，ARGs平均浓度为0.000 42 copies per 16S rRNA基因，和饮用水中的ARGs为一个数量级。Messi等^[69]对医院空气中分离的280株细菌进行了抗生素耐药性检测，其中5%的分离菌株对所检测的所有抗生素均敏感，其他主要菌株对3种(13%)、4种(14%)、5种(9%) 和6种(10%) 抗生素具有抗性，表明空气样本中存在大量抗生素耐药细菌，因此应该预防和防范医院产生的院内感染。

医院周围常存在着大量社区，He等^[70]发现，医院及周围社区空气气溶胶中广泛存在ARGs污染，医院空气气溶胶中的ARGs种类和丰度高于附近社区空气气溶胶中ARGs，特别是与临床上重要的病原体相关的ARGs，包括bla_NDM、bla_KPC、bla_IMP、bla_VIM和bla_OXA-48等，因此需控制医院产生的ARGs从而减少社区大气气溶胶中的ARGs。

3 结论与展望

过去一段时间大量的抗生素被用于人类医疗保健、食品加工、农业和畜牧业，造成严重的环境污染及抗生素耐药性等一系列问题。研究表明，空气中也存在着ARBs和ARGs，但目前对于气溶胶中ARGs的研究依然较少，对大气的长期微生态影响和人体呼吸系统产生的ARGs仍有待进一步探索。本文综述了人类生活功能场所、养殖场、城市污水处理厂和医院4个典型场所气溶胶中ARGs的研究现状，并对未来开展相关的研究提出以下几点建议。

(1) 开展不同场所环境生物气溶胶中ARGs的来源、种类和丰度研究，建立不同场所环境生物气溶胶中ARGs数据库；对影响生物气溶胶中ARGs传播扩散的宿主菌、可移动遗传元件和气溶胶中化学成分进行深入研究。

(2) 目前气溶胶中ARGs的研究多为ARGs的检测、传播及环境行为，对于ARGs的健康风险及对全球人类健康造成的负担知之甚少。因此需建立气溶胶中ARGs的风险评估方法，通过人体抗性基因水平与疾病暴露的关系确定不同ARGs的风险等级，并评价气溶胶传播的ARGs和全球疾病暴露的关系。

(3) 近年来，随着基因组学和大数据分析技术(包括网络分析、人工智能和机器学习) 的不断发展，以及计算机运算能力的不断提高，基于基因组学和大数据分析技术建立起气溶胶中ARGs和其他环境介质中ARGs之间的联系，并结合空气动力学可以对气溶胶中ARGs的传播进行溯源研究。

(4) 气溶胶中ARBs和ARGs的传播来源通常作为点源存在，采用空气过滤系统可以灭活和去除点源所产生的ARBs和ARGs，当前去除和削减ARBs和ARGs方面空气过滤器的研究还较少。因此，应对现有的空气过滤技术对于ARBs和ARGs的灭活和消除效果进行评价，基于吸附、高级氧化技术、光催化和紫外消毒等工艺的空气过滤系统需要进一步研究。