茅尾海牡蛎养殖系统塑料际微生物及耐药基因的时空赋存特征

作     者：邢皓淋 

作者单位：北部湾大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王京真;纪东平

授予年度：2024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：抗生素抗性基因 塑料 微生物群落 可移动遗传元件 茅尾海 宏基因组 

摘      要：伴随抗生素在人类医疗、动物养殖以及农业活动中的广泛使用,大量抗生素残留物进入水环境,造成了水环境潜在的抗生素污染。这种污染正在改变水环境中的微生物群落结构,促进了耐药菌的增长和抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的传播,从而影响了水生态系统的健康与平衡。在水产养殖系统中,广泛使用的塑料部件,诸如塑料浮球和塑料绳索等,为微生物提供了易于定植的表面,进而促使其形成生物膜。而这些生物膜不仅促进了微生物对抗生素抗性基因的获取,并随着塑料的迁移,加快了抗性基因在环境中的扩散。因此,在水产养殖过程中,塑料表面的生物膜已成为耐药菌、致病菌和抗生素抗性基因的重要储存库,这极大地增加了生态污染并提高疾病传播的风险。 本研究首先采用文献计量学方法分析了塑料际微生物和抗性基因的研究现状、发展趋势、研究热点以及面临的挑战。结果显示,目前的研究主要集中在微塑料及塑料碎片表面微生物和抗性基因等领域。然而,关于这些塑料的源头—大塑料表面微生物和抗性基因的富集特征却相对匮乏。比如,野外水产养殖系统在运维期间其塑料表面可富集大量微生物,这些微生物和抗性基因最终可能随着养殖系统的废旧和弃置被释放到环境中,产生潜在的生态风险。对于这一过程中微生物和抗性基因的富集与演替机制,目前还知之甚少,这需要进一步的研究探索。 本研究基于文献计量学所揭示的研究空白及本地牡蛎养殖产业潜在的环境风险评估需求,采用宏基因组学技术探索了牡蛎养殖过程中所用的三种塑料表面的微生物及抗性基因的时空特征。 具体而言,我们选择了茅尾海牡蛎养殖使用的三种塑料部件——聚乙烯薄膜、聚苯乙烯泡沫和聚乙烯绳,分别对其暴露一个月、六个月及一年时间长度下进行了研究,旨在探索这些塑料表面微生物群落和抗性基因的多样性,并将其与周边水体的微生物和抗性基因进行了比较。结果显示,假单胞菌门(Pseudomonadota)是各塑料样本和表层海水中的优势门类。在属水平上,各样本之间存在显著差异。在人类活动较为频繁的区域(本研究A点)微生物种类丰度较高。通过使用Kruskal-Walli检验,本研究发现不同地点和暴露时间对微生物丰富度具有显著影响(P0.05)。这些发现强调了环境条件和时间长度在塑料表面生物膜形成过程中的重要作用,对于理解塑料在海洋环境中如何影响微生物群落具有重要意义。 抗生素抗性基因的多样性的结果显示,在暴露一个月后,塑料样品和表层海水中共检测到1501种抗生素抗性基因,隶属于36种抗生素抗性基因类型;暴露六个月后,塑料样品和表层海水中共检测到1467种抗生素抗性基因,涉及35种抗生素抗性基因类型;而在暴露一年后,塑料样本和表层海水中共检测到了1936种抗生素抗性基因,属于36种抗生素抗性基因类型。肽类抗生素抗性基因和利福霉素抗生素抗性基因是主要的类别,其中rpo B2和Bado＿rpo B＿RIF相对丰度较高。抗生素靶点改变和抗生素靶点替换是主要的抗性机制。在人类活动相对频繁的区域(本研究A点),抗生素抗性基因种类更为丰富。 通过对抗生素抗性基因的潜在宿主研究发现,一种抗性基因可能存在多个潜在宿主,且某些微生物与多种抗性基因之间具有明显的相关性。塑料表面抗生素抗性基因主要是通过转座酶(transposase)和insertion＿element＿IS91等介导在微生物之间进行水平传播,很多相对丰度较高的可移动遗传元件(比如insertion＿element＿IS91、qac Edelt和ISCR等)参与了多重耐药基因的传播。这些发现为理解环境中抗生素抗性基因的传播提供了重要视角,并强调了养殖塑料生物膜在抗生素抗性传播中的作用。 本研究不仅为理解茅尾海牡蛎养殖系统中不同类型塑料表面微生物和抗生素抗性基因的动态提供了深入见解,还对评估养殖塑料废弃物释放的生态风险以及制定相应的管理策略提供了科学依据。