污水处理系统中抗生素抗性基因分布特征及其传播风险研究

作     者：王浩泽 

作者单位：苏州科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田永静;邱勇

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：污水处理 宏基因组学 抗生素抗性基因 微流控芯片 消毒残生菌 

摘      要：近年来,抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)成为环境领域的研究热点。污水处理厂作为ARGs的重要储存库,受到人们的广泛关注。深入了解ARGs在污水处理厂中的分布特征及其出水对ARGs传播风险,对于未来污水处理厂中ARGs的控制研究和安全评估具有重要意义。本文首先基于宏基因组学研究了ARGs在不同工艺(AAO、MBR和MBBR)的分布特征,探讨了细菌与ARGs的共现关系,揭示不同工艺内ARGs的分布规律及传播风险。其次以大肠杆菌(Escherichia coli,***)为模式细菌,利用微流控芯片(microfluidic agarose chip,MAC)量化不同消毒条件下残生菌接受ARGs的能力,并通过提取残生菌的RNA研究不同消毒方式对残生菌基因表达的影响。通过以上研究,获得的主要结论如下:(1)变形菌门Proteobacteria、放线菌门Actinobacteria和拟杆菌门Bacteroidete是所有工艺内的优势菌门。不同工艺污水处理厂的尾水处理工艺(D型滤池、MBR膜过滤和Na Cl O消毒)都可以减少水中细菌的多样性,三种尾水处理方式分别使出水中细菌属种类减少了0.52%、3.14%和6.54%。(2)D型滤池可以减少出水中ARG亚型的种类(2.99%和11.28%),Na Cl O消毒也使得出水中ARG亚型减少了13.58%,而MBR膜过滤则使得出水中ARG亚型增加了12.60%。Mac B是所有样本中相对丰度最大的ARG亚型。(3)AAO工艺出水中病原体分枝杆菌Mycobacterium的比例显著增加,Mycobacterium是抗利福平(rifampin phosphotransferase)、竹桃霉素(ole C)、阿霉素(ddr A)和糖肽(D-Ala-D-Ala-ligase)类的抗性基因的潜在宿主。MBR工艺出水和活性污泥中优势菌硝化螺菌属Nitrospira是抗莫匹罗星(Staphylococcus mup A)、多肽(bcr A、bac A)、多药(efr A、rpo B2)和四环素(tet B(P))类抗性基因的潜在宿主。MBBR工艺悬浮填料生物膜优势菌Nitrospira是20种ARG亚型的潜在宿主,活性污泥和悬浮填料生物膜共有的优势菌生丝微菌属Hyphomicrobium和慢生根瘤菌属Bradyrhizobium分别为11种和7种ARG亚型的宿主,应进一步重视这些细菌传播ARGs的风险。(4)经NaClO和Cl O消毒的残生菌接受ARGs的能力增加,而紫外线(Ultraviolet,UV)消毒后残生菌接受ARGs的能力则会降低。Na Cl O消毒后大肠杆菌敏感菌、卡那霉素抗性、四环素抗性残生菌中ARGs的平均转移率为0.84%、1.10%和0.18%,大于相应的对照组(0.28%、0.17%和0)。Cl O消毒后大肠杆菌敏感菌、卡那霉素抗性、四环素抗性残生菌的平均转移率为2.66%、0.96%和0.55%,大于相应的对照组(0.28%、0.17%和0)。UV消毒后大肠杆菌敏感菌和卡那霉素抗性残生菌的平均转移率为0.04%和0.08%,小于相应的对照组(0.28%和0.17%)。激光扫描共聚焦显微镜(Confocal laser scanning microscope,CLSM)图像分析表明,消毒影响了细菌在生物膜上的分布特征,供受体菌成片生长有利于转移接合子的产生。(5)对三种消毒方式处理后残生大肠杆菌敏感菌的原核转录组测序表明,三种消毒方式促进了大肠杆菌敏感菌中SODA、SODC、SOXR和SOXS等活性氧相关基因的上调表达。Na Cl O和Cl O消毒促进了大肠杆菌敏感菌中菌毛产生相关基因的上调表达,UV消毒后部分菌毛产生相关的基因(fli D、fli L、fli M、fli N、fli S和fim H)出现下调表达。