抗生素,抗生素耐药性与环境

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          微生物自身会产生抑制其他竞争性微生物生长的抗生素。为了更好地生存,微生物进化出了与抗生素耐药性相应的遗传机制和生化机制,由于微生物之间频繁发生遗传物质互换,抗生素耐药机制在物种之间已广泛传播。然而,自1940年代以来,人类开发出了新的抗生素,其使用量也逐年增大:在15年内,全球抗生素消费量增长了65%,且主要集中在中低收入国家。目前,这种全球性的抗生素大规模使用现象已经是主要的公众健康隐患。某些对人类和动物致病的细菌已经对制药工业开发的大多数抗生素分子产生耐药性。除此之外,施用于人和动物的抗生素以及选自这些宿主的抗性细菌已在环境中广泛传播。细菌向着抗生素耐药性增强的方向进化。菌群之间的基因交流在环境、动物或人类宿主间永远存在。因此,对抗抗生素耐药性的斗争需要全面考虑。抗生素作用于不同宿主的效果难道不应该考虑在内吗?

1. 细菌的抗生素耐药性:一个全球性的健康威胁

生素靶点和细菌耐药机制
图1. 抗生素靶点和细菌耐药机制。这张图展示了抗生素的主要作用靶点和细菌对抗生素耐药的主要机制。列出了每种情况下相关的抗生素家族。
[来源: Creative Commons Attribution 2.0 Generic License.]
抗生素靶点 抗生素耐药性机制
细胞壁:β-内酰胺类 万古霉素类 流出:氟喹诺酮类 氨基糖甙类 四环素类
β-内酰胺类 大环内酯类
DNA/RNA合成:氟喹诺酮类 利福霉素类
叶酸合成:甲氧苄氨嘧啶类 磺胺类 不渗透性:四环素类 甲氧苄氨嘧啶类 磺胺类万古霉素类
细胞膜:达托霉素类 靶点修饰:氟喹诺酮类 利福霉素类 万古霉素类 青霉素类 大环内酯类 氨基糖甙类
蛋白质合成:利奈唑胺类 四环素类 大环内酯类 氨基糖甙类 灭活酶:β-内酰胺类 氨基糖甙类 大环内酯类 利福霉素类

          一项数据警醒研究人员关注抗生素耐药性可能对公众健康造成的风险:2015年,全球每天消耗423亿剂量的抗生素。抗菌素耐药性定义为某些细菌对一种或多种抗菌素的抵抗能力。它对应于这些细菌基因组中存在的编码这种抗性的基因。细菌对特定抗生素产生耐药性的主要生化机制有四种:

  • 细菌膜对这种抗生素的不渗透性;
  • 细菌将侵入的抗生素外排;
  • 通过对细菌靶点的定量或定性修饰,降低抗生素对其靶点的亲和力;
  • 以及细菌酶使抗生素失活。
接合和转导。
图2. 接合和转导。结合(左)。1. 供体细菌具有受体细菌所没有的接合质粒。2. 供体细菌通过菌毛与受体细菌建立接触。3.供体细菌复制其质粒并将其转移到受体细菌。4. 受体细菌获得了新的质粒基因,同时自身也成为供体细菌。转导(右)。1. 病毒(噬菌体)感染细菌。2. 病毒基因组合并到细菌基因组和病毒复制。3.包含细菌基因组片段的病毒包衣。4. 被这种噬菌体感染的新细菌。5. 病毒将细菌基因组片段从供体细菌传播到受体细菌。6. 受体细菌整合了供体细菌片段,从而赋予它新的特性(毒性、抗生素耐药性等)。
[来源: 左侧翻译自By derivative work: Franciscosp2 (talk) Bacterial_Conjugation_en.png: Mike Jones (Bacterial_Conjugation_en.png) [CC BY-SA 2.5], via Wikimedia Commons ; 右侧翻译自By Reytan with modifications by Geni & Toony (common Image: Transduction (genetics)en.svg) [Public domain], via Wikimedia Commons.]
接合:1.质粒 菌毛 细菌 染色体2.供体细菌 受体细菌3.松弛体 转染体4.新的供体 旧的供体 转导:1噬菌体 细菌5.病毒DNA 细菌DNA 6.重组基因组的细菌

          图1概述了抗生素的作用靶点和细菌对这些分子的耐药性机制。

          在某些种类的细菌中,抗菌素耐药性机制是稳定的,并影响大多数菌株:也就是我们所说的天然抗菌素耐药性。相反,获得性抗生素耐药性发生在通常对某种抗生素敏感的某些细菌菌株获得了对该抗生素产生耐药性的遗传机制时。获得新的抗生素耐药性可能与影响耐药性特性或表达水平的基因突变有关(参见Genetic Polymorphism and Variation)。这也可能是获得新的耐药性基因的结果。事实上,可移动的遗传元件[1](质粒、转座子、整合子等)可以在相同或不同种类的细菌之间交换。这些交换通过水平基因转移机制[2]接合、转化、转导、转座)进行(图2和3)。所有存在于致病性或非致病性微生物中的抗生素耐药性基因都构成了耐药组

转化和转座。
图3. 转化和转座。转化(左)。Ⅰ. 细菌A在它的环境中释放一个基因(活性机制或细菌的裂解)。Ⅱ. 细菌B捕获这个外源基因并将其整合到细胞质中。Ⅲ. 细菌B将这个基因整合到它的基因组中(本例中是质粒基因)。Ⅳ. 细菌B具有编码例如抗生素耐药性的新基因。转座(右)。1. 供体DNA包含一个由两个插入序列(IS)组成的转座子。这个转座子可以包含编码不同功能(毒力、抗生素耐药性等)的多个基因。2. 转座酶与IS结合。3. 形成转座复合体。4. 转座子被切除。5. 这个转座子移动到目标DNA位点,在同一复制子(染色体或质粒)上,或在另一个复制子上(例如从染色体转移到质粒上)。6. 转座子插入目标DNA,赋予其新的特性。
[来源:左边改编自By Sprovenzano15 [CC BY-SA 3.0], from Wikimedia Commons; 右边改编自 Alana Gyemi [CC BY-SA 4.0], from Wikimedia Commons.]
转化:细菌A,细菌B 1.chromosome染色体;2.transferred gene(G)转移的基因(G);3.restriction enzyme限制性内切酶;4.DNA ligase DNA连接酶;5.bacteriumA plasmid carrying the gene G 携带基因G的细菌A质粒6.bacteriumB plasmid integrating the gene G整合基因G的细菌B质粒
转座:insertion sequence插入序列; donor DNA供体DNA;transposon转座子; transposase转座酶; transposase fixation转座酶固定; transposition complex formation转座复合物的形成; excision切除; recognition of the target DNA site识别靶DNA位点; target DNA靶DNA; transposon insertion in the target DNA site转座子插入靶DNA位点.

          在过去的80年里,抗生素的大量使用导致了新的抗生素耐药性机制的选择和种间转移。这些耐药性在同一种细菌中的积累会导致多药耐药性(对多个抗生素家族产生耐药性,MDR),甚至是完全耐药性(对所有可用抗生素产生耐药性)。这两种情况会导致治疗上的僵局。一些经常参与人类病理学并且通常对多种抗生素具有耐药性的细菌统称为“ESKAPE”[3]。“ESKAPE”包含屎肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、肠杆菌和最近发现的其他肠杆菌科(表1)。

          抗菌素耐药性目前是一个重大的全球公共卫生问题,需要依靠国际(包括世卫组织)和国家控制计划的发展。尽管已有大量关于人类和动物作为这些抗生素耐药性来源库的相关研究,但直到最近才认识到环境在抗生素耐药性的出现和传播中起到的作用。

2. 环境:古老的抗生素耐药性来源库

         许多环境微生物(主要是细菌和真菌)可以自发地产生抗生素,这使得它们比其他环境物种更具选择性生长优势。这些微生物具有编码抗自身抗生素的耐药性机制的基因。它们可以把这些耐药性基因传递给后代(垂直传递)[4]。不产生抗生素的微生物也可能自身携带抗生素耐药性基因或从头合成。在细菌中,相同或不同物种的个体之间存在许多遗传交换(水平传递)。生活在环境中的细菌之间,抗生素耐药性的传播可能从很久以前(几十亿年)就开始了,并持续到今天[5]。这些耐药性可以从环境细菌传播到定植于人类和动物身上的细菌。例如最近出现的CTX-M型广谱β-内酰胺酶(ESBLs)或对氟喹诺酮类药物(qnr基因)产生耐药性的新机制[6]

3. 人造抗生素释放到环境中

         20世纪初的重大标志是发现并大量生产天然抗生素(从生产这些分子的微生物中提取)或通过化学合成获得抗生素。天然抗生素包括β-内酰胺类抗生素(包括青霉素)、氨基糖苷类、四环素类和大环内酯类。其中大部分天然分子经过化学修饰,成为半合成抗生素和合成抗生素。磺胺类和喹诺酮类是人类直接合成的药物分子。从20世纪40年代到现在,人类和动物使用的抗生素呈指数级增长,相当于向环境中释放了数百万吨抗生素。抗生素对环境的污染主要有三种来源:

  • 工业抗生素生产厂将其生产的部分抗生素分散到它们的水生环境中;
  • 饲养用抗生素治疗过的养殖动物;
  • 接受抗生素治疗的人。

3.1. 抗生素生产工厂

         抗生素生产工厂通过废水排放向外释放了大量的抗生素。在大量生产抗生素的国家,特别是在欧洲、美国、中国和印度,目前在环境污染方面的监管限制是不够的。在一些生产工厂的废水中检测到抗生素浓度超过1毫克/升[7]。这些浓度对环境微生物群落有显著影响。此外,这些抗生素在环境中广泛传播,污染地下水。

3.2. 兽医使用的抗生素

         养殖动物(很少包含野生动物)的抗生素使用约占抗生素总产量的60%,并且还在持续增加[8]。全世界每年施用于牲畜、低地动物和水产养殖的抗生素超过10万吨[9]。最常用的抗生素是四环素,其次是青霉素和磺胺类。然而,β-内酰胺类抗生素、氨基糖苷类、氯霉素类、大环内酯类和糖肽类也同样受到关注。用于人类和动物的抗生素属于同一家族,因此也会被相同的抗菌素耐药性机制失效。抗生素用于治疗和预防饲养动物的传染病(抗生素预防),或者作为食物补充剂。为了治疗和预防细菌感染,即使只有少数动物生病,抗生素也经常被添加到饮用水或整个农场的饲料中。系统地使用抗生素作为饲料补充剂(尤其是家畜、家禽、鱼类等)是为了提高牲畜的生产力(例如,就生产肉的量而言)。

         数十年来,这种以盈利为目的使用抗生素的做法占绝大多数。目前这种做法在欧洲禁止使用,但在许多国家仍然存在。这种做法被认为是定植于这些动物消化道内细菌(如大肠杆菌)产生抗生素耐药性的主要原因。大多数从这些动物中筛选出来的耐药细菌可以通过与人类接触或被污染的食品传播给人类。此外,施用于动物的抗生素也以活性形式存在于它们的粪便中。这些农场的废水通常直接排放到水环境中,或未经事先处理就用于灌溉作物。

3.3. 人类对抗生素的使用

        人类使用抗生素治疗传染病或预防传染病(抗生素预防)。全球人类每年消耗相当于数百亿单位剂量的抗生素。β-内酰胺类抗生素(青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类)是目前使用最广泛的抗生素(约占人类消费的60%)。四环素类、大环内酯类和氟喹诺酮类药物的使用量也很高。大约80%的抗生素用于社区,20%用于医院。然而,由于抗生素广泛的使用范围和选择性耐药细菌在人与人之间高风险的传播[10],卫生保健机构在细菌耐药性传播方面发挥重要作用。一些按规定给感染者开的抗生素没有被使用,因此和我们的日常废物一起释放到环境中。

        更重要的是,人类吸收的大多数抗生素都以活性形式通过尿液和粪便排出。在发展中国家,这些抗生素直接分散在大地-水环境中。在拥有废水处理基础设施的国家,这些抗生素的很大一部分在废水处理厂中被发现[11]。在一些处理厂的废水中检测到浓度大约µg/L级的抗生素(β-内酰胺类、大环内酯类、四环素类、氟喹诺酮类等)。这些抗生素被生物降解,在污水污泥中被吸收,或在工厂废液中被原样清除。污水污泥可用于农田施肥,废水排入水环境(河流)。在这两种情况下,活性抗生素被释放到大地水环境中。

  • 抗生素在环境中的残留浓度

        在一些水生和陆地环境中检测到的抗生素浓度从每升水或每克土壤中纳克到微克不等。在一些地下水中也测出了类似的浓度。这些抗生素在污染后会在环境中持续存在一段时间,从几天(如β-内酰胺抗生素)到几个月(如氟喹诺酮类和四环素类)不等。因此,对于后一种分子,如果环境污染是永久的或频繁的,就会出现积累现象。在海洋环境中也可以检测到抗生素残留。最后,有时在饮用水中也可以检测到大约纳克每升的抗生素浓度残留。

4. 于人类和动物的新型抗生素耐药性基因释放到环境中

        对人和动物施用的抗生素从其共生菌群(其微生物菌群)中选择对这些分子最有抵抗力的细菌种类和菌株。(参见Human microbiots: Allies for our health)。

        抗生素还通过在细菌SOS系统中诱导,促进编码抗生素抗性的基因突变和水平基因转移。这种现象在菌群丰富,细菌种类多达几千种的肠道中尤为重要(图4)。

消化道的微生物群。
图4.消化道的微生物群。在口腔、口咽、回肠末端和结肠的微生物群丰富多样。由于胃部的强酸性环境,这里的微生物群相对较少。厌氧细菌(在无氧情况下繁殖)在结肠中广泛存在。
[Source: Adapted from By Mariana Ruiz, Jmarchn, Translated in French by Moez [Publicdomain], from Wikimedia Commons.]
Number of bacteria细菌数量; major bacterial phyla主要细菌门; mouth and oropharynx口腔和口咽; stomach胃; duodenum十二指肠; colon结肠; jejunum and ileum空肠和回肠;
Firmicutes厚壁菌门:梭菌,肠球菌,葡萄球菌群,链球菌,乳杆菌…
Bacteroidetes拟杆菌门:细菌,卟啉单胞菌…
Actinobacteria放线菌门:棒状杆菌,丙酸杆菌,双歧杆菌…
Proteobacteria变形细菌门:大肠埃希氏菌,假单胞菌,奈瑟菌…

        人和动物向环境中传播构成他们共生菌群的细菌,特别是那些携带抗生素耐药性基因的细菌。有些细菌种类可以在环境(水、土壤、被污染的物体等)中存活很长时间。废水处理厂由于人类活动而聚集了大量的废水,聚集了大量耐药细菌及其抗性基因。严重污染的污泥常被用于农业用地施肥。净化后仍不达标的水被释放到环境中,而这些水仍然含有细菌和抗生素耐药性基因。因此,这些污水处理厂是由新型抗生素耐药性基因引起的环境污染的主要来源。

5. 环境中出现的新的抗生素耐药性物种

        大地-水环境是一种富含微生物的培养基,其多样性仅得到部分表征。近来对于细菌的宏基因组学研究导致许多新物种的发现。他们还表明,超过99% 的环境细菌物种不能用目前的方法培养[12]

        这种环境正日益受到对人类或动物源性抗生素产生耐药性的细菌、编码这些耐药性的基因以及人类制造的抗生素的污染。植物会吸收其中一些抗生素,尤其是那些经废水处理厂(已经被这些分子污染)的灌溉用水和污泥培养的作物。虽然环境中残留的抗生素浓度通常很低,但它们对天然微生物菌群的选择压力逐渐增加。这种选择压力促进了天然物种和污染物种之间抗生素抗性基因的水平交换,特别是在生物膜中丰富多样的细菌种群中。这些微生物的天敌,自由生活的原生动物(特别是变形虫),也促进这些基因交换。

        总而言之,环境中已经具备新的抗生素耐药性出现的条件,无论是在自然环境中的细菌菌群中,还是能够在这种环境中生存的人类和动物菌群中。

6. 环境是人类和动物中新抗生素抗性的来源

        来自大地-水环境的微生物经常定植在人类和动物身上。这种定植可以通过在日常活动中与该环境接触而直接发生,也可以通过摄入被污染的饮用水或食物,或接触被污染的物体等间接发生[13]。人和动物的共生微生物菌群充当微生物屏障,可防止适应性较差的外来物种感染。尽管如此,许多人类和动物的细菌物种仍在环境中生存,因此,可以重新污染这些宿主。另一方面,环境中承载的微生物可以在人和动物的皮肤和粘膜中定植。这种定植可以是短暂和短期的(几小时或几天),或者更长时间(几周、几个月甚至几年)。在此定殖过程中,外源菌群和内源共生菌群之间可以发生遗传交换。由于消化菌群的丰富性和多样性,而且许多环境微生物被摄入后在肠道内的携带时间也很长,这些遗传交换在消化菌群的水平上尤为重要。

        需要注意的是,耐抗生素的细菌也经常对包括重金属(银、铜、汞等)和生物杀菌剂(乙醇、甲醛、洗必泰、三氯生、季铵盐等)在内的抗菌剂产生耐药性。抗菌剂造成的环境污染利于筛选携带抗生素耐药性的微生物。两种现象可以帮助我们理解抗菌剂对携带抗生素耐药性菌株的筛选(或抗生素对抗菌剂耐药性的筛选):

  • 抗生素和抗菌剂的耐药性遗传机制由相同的遗传载体(特别是质粒)携带;细菌暴露于抗生素或抗菌剂会选择对这两种化合物都具有耐药性的菌株:这就是共同耐药
  • 相同的遗传机制(例如编码外排泵)导致对抗生素和抗菌剂产生耐药性; 在这些分子中的一种或另一种存在时,交叉耐药现象引发了对两种耐药性的选择。

7. 整合与展望:更好地理解与环境和集约化畜牧业相关的风险

抗生素、耐药细菌及其耐药基因对环境的污染。
图5. 抗生素、耐药细菌及其耐药基因对环境的污染。人类和动物(家畜、家禽、养殖鱼类等)的共生菌群和致病性菌群受到社区、护理机构和家畜抗生素选择的压力。因耐抗生素而选择的细菌在环境中直接或通过污水处理厂传播。这些耐药细菌在人类和动物之间传播(直接接触、食物等)。环境本身就是细菌产生新的抗生素耐药性的一个来源,这些细菌可以污染人类和动物。
Cattle, fish farming, farmers, health-care facilities, pharmaceutical production plant, community, waste water treatment plant, environment, food, abattoir workers, poultry
牛,养鱼,农民,卫生保健机构,制药厂,社区,废水处理厂,环境,食品,屠宰场工人,家禽

        抗菌素耐药性是一个复杂而长期存在的现象,由于三个主体的共同作用,它已经成为人类和动物健康的一个主要问题:1/几十年间抗生素的过度使用;2/基因组的高可塑性以及细菌对这些分子施加的选择压力的适应性;3/在环境、动物和人类三种主要抗性基因库之间永远存在遗传交换(图5)。

        大量而迅速的国际贸易(人类、动物、食品)使这种情况恶化。环境受到来自人类和动物的耐药微生物以及抗生素残留浓度的污染。这两种类型的污染促进了新的抗生素耐药性的出现和它们在细菌物种之间的转移。

        由于人、动物和环境三者之间存在很强的相互作用,耐药性遗传机制的传播是一种快速而重要的现象。与其他环境污染物(其他药物、化学品、重金属等)相比,这种污染具有能在人类和动物群体中传播的特征。事实上,耐抗生素细菌在人与人之间、动物与动物之间和人类与动物之间的传播不仅解释了这种污染的单独效应,也解释了这种污染的群体效应。在防治抗菌素耐药性出现和传播的方法中,尤其重要的是:

  • 减少和优化抗生素的总使用量;
  • 避免或至少限制抗生素和携带耐药性基因的细菌在环境中的传播,特别是从重要来源(医院、抗生素制造厂、集约畜牧业、水处理厂等)的传播;
  • 提高发展中国家的卫生水平和发展水净化系统;
  • 更好地监测抗生素及其耐药基因对环境的污染[14][15]

8. 要点

  • 全球抗生素的消耗量是每天数十亿剂量,而且还在增加。
  • 人类和动物使用的抗生素极大地改变了它们的共生微生物群落,并筛选出了对这些分子越来越耐药的细菌菌株。
  • 人类和动物致病菌的适应能力与其基因组可塑性的联系,使他们不断发展和交换新的抗菌素耐药性机制。
  • 人类和动物消耗的抗生素以及具有抗菌素耐药性机制的细菌以活性形式分散在环境中。
  • 环境是许多细菌种类和抗生素耐药性基因天然的来源库,人类和动物源的污染使其不断丰富。
  • 在人类、动物和环境之间永远存在的交流,会使抗生素耐药性的出现和传播长久地持续下去。
  • 有必要开发新的抗生素和新的治疗策略来对抗抗生素耐药性,也有必要减少和优化目前人类和动物抗生素的使用。

 


参考资料及说明

封面图片:在测试抗生素敏感性之前,在选择性培养基上分离细菌菌落。[来源:Getty Images, royalty-free.]

[1] 一个可移动的遗传元件是基因组中位置不固定的部分。这些元素是由1983年获得诺贝尔生理学或医学奖的美国细胞遗传学家芭芭拉·麦克林托克发现的。它们种类繁多,包括质粒、转座子、整合子。

[2] 一个生物体整合来自另一个生物体的遗传物质而不是其后代的过程(也称为横向基因转移)。 基因工程的很大一部分由基因的人工水平转移组成。

[3] Pendleton JN, Gorman SP, Gilmore BF. (2013). Clinical relevance of the ESKAPE pathogens. Expert Rev Anti Infect Ther. 11(3):297‑308.

[4] Finley RL, Collignon P, Larsson DGJ, McEwen SA, Li X-Z, Gaze WH, et al (2013). The scourge of antibiotic resistance: the important role of the environment. Clin Infect Dis, 57(5):704-10.

[5] D’Costa VM, King CE, Kalan L, Morar M, Sung WWL, Schwarz C, et al (2011). Antibiotic resistance is ancient. Nature. 477(7365):457‑61.

[6] Cantón R. (2009). Antibiotic resistance genes from the environment: a perspective through newly identified antibiotic resistance mechanisms in the clinical setting. Clin Microbiol Infect. 15 Suppl 1:20-5.

[7] Larsson DGJ. (2014). Antibiotics in the environment. Ups J Med Sci. 119(2):108-12

[8] Singer AC, Shaw H, Rhodes V, Hart A. (2016). Review of Antimicrobial Resistance in the Environment and Its Relevance to Environmental Regulators. Microbiol Front. 7:1728.

[9] Lekshmi M, Ammini P, Kumar S, Varela MF. (2017). The Food Production Environment and the Development of Antimicrobial Resistance in Human Pathogens of Animal Origin. Microorganisms. 5(1).

[10] Hosein IK, Hill DW, Jenkins LE, Magee JT. (2002). Clinical significance of the emergence of bacterial resistance in the hospital environment. J Microbiol application, 92 Suppl:90S-7S.

[11] Le-Minh N, Khan SJ, Drewes JE, Stuetz RM. (2010). Fate of antibiotics during municipal water recycling treatment processes. Water Res. 44(15):4295-323.

[12] Nesme J, Cécillon S, Delmont TO, Monier J-M, Vogel TM, Simonet P. (2014). Large-scale metagenomic-based study of antibiotic resistance in the environment. Curr Biol, 24(10):1096-100.

[13] Zurek L, Ghosh A. (2014). Insects represent a link between food animal farms and the urban environment for antibiotic resistance traits. Appl About Microbiol. 80(12):3562-7.

[14] Pruden A, Larsson DGJ, Amézquita A, Collignon P, Brandt KK, Graham DW, et al (2013). Management options for reducing the release of antibiotics and antibiotic resistance genes to the environment. About Health Perspect. 121(8):878‑85.

[15] Laxminarayan R, Duse A, Wattal C, Zaidi AKM, Wertheim HFL, Sumpradit N, et al (2013). Antibiotic resistance-the need for global solutions. Lancet Infect Dis. 13(12):1057-98.


译者:骆潇     编审:薛凯副教授     责任编辑:王文雯


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: MAURIN Max (2021), 抗生素,抗生素耐药性与环境, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sante-zh/antibiotics-antibiotic-resistance-and-environment/.

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