抗生素滥用已经成为人类健康最大威胁之一。
1674年，荷兰显微镜学家列文虎克通过自制的显微镜，第一次观察到了细菌，微生物世界的大门第一次向人类打开。然而，看到微生物的人类，对它们却毫无办法，致病微生物的祸害却始终伴随着人类。上世纪四十年代之前，人类对致病性细菌的感染束手无策，那时候，一个人如果患了肺结核，就可以直接准备后事了。1928年，英国细菌学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming，1881—1955）意外发现了世界上第一种抗生素——青霉素，英国病理学家弗劳雷、德国生物化学家钱恩进一步研究改进，成功将青霉素用于治疗。1945年，青霉素在全世界得到广泛使用，拯救了亿万生命，三人也因此共获1945年的诺贝尔生理或医学奖。青霉素的发现，使人类找到了一种具有强大杀菌作用的药物，结束了传染病几乎无法治疗的时代，人类进入了合成新药的新时代，此后的几十年里，人类发现了上万种抗生素，其中有近百种成功用于人类疾病治疗。但是，随着抗生素的广泛使用，人们一度乐观地认为细菌性疾病将被人类彻底战胜，然而，事实并非如此乐观，抗生素滥用导致耐药菌大量出现。
在各种来源的抗生素中，最容易被忽视的就是环境中抗生素；它的来源可能是生活污水、医疗废水，甚至是动物饲料和水产养殖废水排放等。
这些随着我们的饮用水、食物进入人体的抗生素，虽然浓度不高，同样危害巨大。
近日，美国国家科学院院刊PNAS上一项最新研究指出，环境中发现的低浓度抗生素还可能对肠道细菌产生重大影响，包括肠道细菌群落的结构变化、细菌种群数量严重下降等；其中，肠杆菌数量甚至下降了1000倍。
该研究提供了一个能够预测菌落大小的变化肠道细菌动态的数学模型，并为评估人类和其他动物的抗生素干扰提供了一个重要框架。
论文题目：Sublethal antibiotics collapse gut bacterial populations by enhancing aggregation and expulsion
环境中的抗生素：我们的饮用水、鸡鸭鱼肉、蔬菜、蜂蜜等都可能是抗生素来源
下图是一张中科院在2015年发布的抗生素污染地图，来自中国科学院广州地球化学研究所应光国课题组对中国58条主要河流，以及广东、广西、湖南、河北等省份的主要养殖场的抗生素环境浓度数年来的调查结果。
如果你仔细观察，不难发现，一些经济相对较好地区颜色较深，这些地方也是环境中抗生素浓度相对较高的区域，如京津冀及海河流域地区就是污染最严重地区之一。
实际上，根据调查结果，海河和珠江正是环境抗生素污染最严重的两条河流，但由于海河水量少，其抗生素环境浓度比珠江还要高。
这些存在于环境中的抗生素主要来源包括：生活污水、医疗废水以及动物饲料和水产养殖废水排放等。
例如，在生猪、肉鸡、水产等养殖过程中，因养殖密度高，不少养殖户为降低感染发病率，提高效益，习惯在饲料中添加各类抗生素；像是硫酸粘菌素、金霉素都是生猪养殖中常能见到的抗生素，最多时一吨饲料能添加1斤抗生素药物。
耐药菌的产生——大量接触环境抗生素的直接后果
在过去，这些掩藏在各种环境中的抗生素从未引起大家的重视，尽管它们还是可能以各种方式可能重新进入人体，如喝了含有抗生素的水、吃了存在抗生素残留的肉类和蔬菜，甚至这些低浓度抗生素还可以通过生态循环的方式回到人体等，其最直接的后果就是促使耐药菌加速形成——这也是目前已知的环境抗生素的最大危害。
根据应光国团队的调查结果，抗生素的使用量、预测环境浓度、地表水环境中的细菌耐药率和医院的细菌耐药率存在正相关；尤其是，在使用年代较短的新型抗生素中，这种相关性更加显著。
以常见抗生素喹诺酮类药物（如诺氟沙星等）为例。
通常，这类药物的代谢周期较长，在自然界化学稳定性也很好；因此，很容易残留在我们日常饮食中的水或肉食中，如果长期食用含有这种药物的水或者是肉类，就可能导致人体产生耐药。
目前，喹诺酮类药物的耐药性问题在临床中已经相当普遍了。
比如第一代喹诺酮氟哌酸，对于细菌感染性腹泻的治疗效果已经几乎没有了；使用诺氟沙星、氧氟沙星等来治疗呼吸系统或泌尿系统感染的效果也在逐渐降低，这些都意味着耐药已经形成。
环境中的低浓度抗生素还可改变肠道菌结构，致肠道菌千倍级骤减
实际上，环境中的抗生素带来的后果可能比我们想象中还要严重的多。
近期，刊登于美国国家科学院院刊PNAS上一项最新研究指出，环境中发现的低浓度抗生素还可能对肠道细菌产生重大影响，包括肠道细菌群落的结构变化、细菌种群数量严重下降等。
这项研究是在斑马鱼身上完成的。
由于斑马鱼全身几乎透明，研究人员在它们身上应用了一种3D显微镜技术，能够直观的展示肠道细菌群落的结构变化，并且它们与人类和其他脊椎动物有很多解剖学上的相似之处。它通常长这样：
此次，研究人员采用与环境抗生素浓度相当的环丙沙星，分别观察了携带两种不同细菌的斑马鱼在这种环境中的变化。
这两种细菌也是斑马鱼肠道中的常见细菌，一种机动性强，能够快速游动，为霍乱弧菌ZWU0020（Vibrio cholerae ZWU0020）；另一种则几乎总是完全聚集成密集的菌落，为阴沟肠杆菌ZOR0014（Enterobacter cloacae ZOR0014）。
两种细菌表现出不同的聚集表型。A图为授精后5天的斑马鱼示意图；B图为斑马鱼幼体肠道的示意图，数字表示肠道长度；C图为携带霍乱弧菌ZWU0020（Vibrio cholerae ZWU0020）的斑马鱼肠道的三维图像的最大强度投影；D图为携带阴沟肠杆菌ZOR0014（Enterobacter cloacae ZOR0014）的全肠的最大强度投影（左）和前球部分相同的投影（右）；黑色箭头表示单个浮游细胞；白色箭头表示多细胞聚集。
结果，在抗生素的作用下，两种细菌的行为都发生了巨大的变化。“活泼好动”的霍乱弧菌游动变慢了，并且开始聚集；而原本就常常聚集的阴沟肠杆菌则出现了结构上的变化，形成了更大的群落，碎裂也更少。
这两种变化都直接导致了更多的细菌聚集，使得细菌对肠道的机械收缩更敏感，导致从肠道排出的细菌增加。根据研究结果，肠杆菌数量甚至下降了1000倍。
“许多细菌对低浓度抗生素的反应都是改变它们的形状和聚集行为。包括人类在内的所有脊椎动物的肠道都负责运输食物和微生物，它们的机制也驱动着细菌群的运动”，该团队指出，从动物肠道中通过聚集过程排出接触抗生素的活菌也可能是抗生素耐药性扩散的一种机制。
“低水平的抗生素是环境中的常见污染物，如在饲养牲畜中广泛使用的抗生素”，瑞典国立大学分子生物学研究所的物理学教授Raghuveer Parthasarathy指出，“众所周知，这些低浓度抗生素可以极大地改变人类肠道微生物群，但为什么会发生这种情况一直是个谜。我们的发现表明，由于肠道的生理活动，抗生素的污染会导致肠道微生物群落发生更大的变化，这比单纯研究细菌所能引起的变化要大得多。在某种意义上，肠道放大了弱抗生素的作用。”
基于这一观察结果，研究人员建立了一个能够预测菌落大小的变化肠道细菌动态的数学模型；并极有可能应用于斑马鱼以外的肠道微生物组的研究中，为评估人类和其他动物的抗生素干扰提供了一个框架。
论文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.1907567116
