抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）在環(huán)境中的產(chǎn)生、擴(kuò)散和傳播，是“同一健康（One Health）”框架體系下城市環(huán)境研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。水作為城市人類活動(dòng)與流域自然過程相互作用的關(guān)鍵環(huán)境介質(zhì)，是多維空間尺度下ARGs在“人類—?jiǎng)游铩h(huán)境”之間擴(kuò)散和傳播的紐帶。隨著人類在城市聚集和活動(dòng)強(qiáng)度增加，流域人工和自然水生態(tài)系統(tǒng)受ARGs影響的過程更加復(fù)雜。盡管流域水生態(tài)系統(tǒng)有關(guān)的ARGs研究隨之迅速增加，但從“同一健康”框架體系來看，仍需“全數(shù)據(jù)（One Data）”視角下多維尺度的探索。 

　　水庫由人類建設(shè)并使之惠益于人類，是一類用于“人—水”關(guān)系調(diào)節(jié)的人工水生態(tài)系統(tǒng)，被視為流域尺度上維系“同一健康”的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。在“同一健康”框架體系下，水庫被認(rèn)為是ARGs在城市水系統(tǒng)產(chǎn)生、擴(kuò)散和傳播的重要“調(diào)節(jié)器”。簡(jiǎn)言之，水庫通過供水和灌溉這兩個(gè)基本途徑調(diào)節(jié)城市水系統(tǒng)ARGs的傳播與健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，闡釋水庫ARGs的形成機(jī)制與風(fēng)險(xiǎn)模式，對(duì)加強(qiáng)水庫生態(tài)系統(tǒng)本身的管理以及降低ARGs的健康風(fēng)險(xiǎn)均有至關(guān)重要的科學(xué)意義。 

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)發(fā)現(xiàn)(Data-Driven Discoveries)是科學(xué)認(rèn)知過程在研究數(shù)據(jù)不斷累積的驅(qū)動(dòng)下形成新發(fā)現(xiàn)的一種整合研究范式。例如，單個(gè)水庫或局地若干水庫ARGs的研究結(jié)論難以直接外推到分布于全球各地的數(shù)以萬座水庫。因而，隨著對(duì)ARGs研究的水庫數(shù)量不斷增加，水庫ARGs數(shù)據(jù)整合將驅(qū)動(dòng)該主題科學(xué)認(rèn)知的反復(fù)驗(yàn)證和逐漸深化。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所聯(lián)合牛津大學(xué)、新墨西哥州立大學(xué)等單位研究人員，根據(jù)水庫ARGs研究的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了合作團(tuán)隊(duì)之前構(gòu)建的“提取-分組-統(tǒng)計(jì)”等模塊組成的數(shù)據(jù)挖掘方法，形成了適用于水庫ARGs科學(xué)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑（圖1）。這一數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑將數(shù)據(jù)視為“果子”，并將路徑本身以“果樹”形狀進(jìn)行形象化表示。該路徑改進(jìn)的模塊和相應(yīng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)以Data-driven discoveries on widespread contamination of freshwater reservoirs by dominant antibiotic resistance genes為題發(fā)表在《Water Research》。 

　　水庫ARGs數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑整合了60個(gè)水庫中290個(gè)樣本所檢出的ARGs組成豐度數(shù)據(jù)，覆蓋了來自亞洲、歐洲、中東和南美洲共4個(gè)地理區(qū)域的40個(gè)城市。整合的數(shù)據(jù)集包含ARGs的9個(gè)主要類型，包括氨基糖苷類、 -內(nèi)酰胺類、氯霉素類、大環(huán)內(nèi)酯-林可酰胺-鏈霉菌素B（MLSB）、磺胺類、四環(huán)素類、萬古霉素類、多重耐藥以及其它類型抗性基因。該數(shù)據(jù)集由210個(gè)水樣本和80個(gè)沉積物樣本構(gòu)成，并以水庫和樣點(diǎn)為基本單元在數(shù)據(jù)矩陣中分別進(jìn)一步關(guān)聯(lián)了水庫基本特征和理化參數(shù)等信息。該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑的構(gòu)建，為較大尺度闡釋水庫ARGs污染格局、形成機(jī)制及風(fēng)險(xiǎn)模式提供了方法和數(shù)據(jù)支撐。 

　　在污染格局方面，ARGs已對(duì)水庫造成了廣泛的污染，但其類型和豐度在各大洲以及各水庫之間各不相同。不同水庫檢出ARGs的數(shù)量差異跨越1~2個(gè)數(shù)量級(jí)并且其類型各有差異。亞洲地區(qū)的水庫水體受ARGs污染程度普遍較高，并且其豐度較歐洲等地區(qū)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。水庫水體和沉積物受ARGs污染的調(diào)控因素明顯不同，其調(diào)控因素之間的交互作用存在線性或非線性增強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。在風(fēng)險(xiǎn)模式方面，富含有機(jī)質(zhì)的小型水庫水體在寒冷季節(jié)易遭受抗性基因污染，而較大庫容和低水位水庫沉積物在干旱春季的污染程度更嚴(yán)重（圖2）。 

　　盡管數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑所支撐的60個(gè)水庫ARGs污染和風(fēng)險(xiǎn)研究與單個(gè)或局地若干水庫研究相比有了較大尺度的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，但并不意味著上述結(jié)論已具有普適性。在“同一健康”框架體系和“全數(shù)據(jù)”視角下，面對(duì)全球數(shù)以萬座計(jì)的水庫，已有水庫ARGs數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)依然是“冰山一角”。隨著未來水庫ARGs研究的持續(xù)增加，數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)將分別更加豐富和復(fù)雜，涉及的時(shí)空尺度會(huì)更長(zhǎng)、更廣。因此，已構(gòu)建的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑也將難以直接應(yīng)用，未來對(duì)數(shù)據(jù)分組模塊和統(tǒng)計(jì)模塊方法體系的更新應(yīng)該進(jìn)一步考慮到數(shù)據(jù)持續(xù)增加帶來的尺度依賴性和因果涌現(xiàn)性。 

　論文鏈接

圖1 面向水庫ARGs科學(xué)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑

圖2 水庫ARGs形成機(jī)制與風(fēng)險(xiǎn)模式

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