厌氧消化对污泥中抗生素抗性基因削减的影响

为了系统地了解厌氧消化及其强化工艺对污泥中抗生素抗性基因的削减效果,明确抗性基因在厌氧消化过程中的降解机制,从几种常见的厌氧消化工艺入手,结合国内外研究进展,综述了高温厌氧消化、预处理和投加外源添加剂等强化工艺对污泥中不同抗生素抗性基因的削减效果和影响因素,发现污泥中抗生素抗性基因的归趋主要与污泥中选择性压力的大小、宿主菌群的丰度、水平转移的效率和抗性基因的耐药机制等有关。厌氧消化及其强化工艺主要通过破坏污泥细胞结构,减少宿主菌群丰度或降低抗性基因水平转移风险的作用机制来实现抗生素抗性基因的高效削减。     

不同供水管材生物膜抗生素抗性基因分布特征

为了研究不同材质供水管道内壁生物膜中抗生素抗性基因分布特征和水平转移潜力,利用宏基因组测序对304、316 L不锈钢管和PPR、PE塑料管内壁生物膜进行了分析.结果表明,4种管材内壁生物膜中共检出17类146种抗生素抗性基因.多药类抗性基因在不同管材生物膜中的丰度最高且差别较大,是不同管材生物膜抗生素抗性基因差异的主要原因.不同管材生物膜中可移动遗传元件的总丰度水平较高,但整体上和抗生素抗性基因共存的比例较低,其中整合酶基因表现出和抗生素抗性基因更加密切的关系,可能在抗生素抗性基因的水平转移上发挥重要作用.不同的抗性基因拥有不同种类的潜在宿主,水杆菌属（Aquabacterium）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）等高丰度宿主是多药类抗性基因大量存在的基础.不同管材管壁生物膜中抗生素抗性的首要影响因素是细菌群落组成,其次是可移动遗传元件介导的基因水平转移;物种组成和可移动遗传元件共同塑造了抗性基因的分布特征.     

芬顿法深度处理生物处理排水中的四环素抗性基因

以四环素抗性基因tet(L)、tet(E)为研究对象,考察了芬顿氧化技术对四环素抗性基因废水深度处理的效果.采用定量PCR与DGGE技术检测了芬顿法处理前后生物处理排水中的四环素抗性基因的丰度与废水中菌群丰度的变化.结果显示,在最佳反应条件:反应时间10min,p H值为5,[H_2O_2]/[Fe~(2+)](物质量的比)=8且H2O2的浓度达到0.2mol/L时,16Sr RNA及四环素抗性基因(tet genes)的去除效果最好.同时分析芬顿氧化前后的DGGE图谱可知,细菌菌群间的丰度有了明显的变化.相关性分析可知,各目标基因与单因素间、各目标基因之间,各样品中目标基因含量的变化与DGGE条带变化之间都没有明显相关性.结果表明,芬顿试剂可能不仅仅是通过削减单位水体中抗性菌的浓度来降低抗性基因浓度,还通过其他的方式来去除单位水体中的抗性基因的浓度,这还有待进一步研究证明.     

冬季河流中抗生素抗性基因和微生物群落相关性研究

为分析冬季河流中tetA、tetB、sul1和sul2抗性基因的分布特征与微生物群落的相关性,用Miseq高通量测序分析和荧光定量PCR技术进行。冬季河流地表水中抗性基因丰度比沉积物中的高2个数量级,磺胺类抗性基因丰度比四环素类的高1个数量级。4种抗性基因总丰度变化范围为3.65×10~2～7.94×10~7copies/L。河流中Proteobacteria和Bacteroidetes为绝对优势菌群,河流地表水与沉积物中优势菌群略有不同。4种抗性基因对样本的影响较大,微生物群落与抗性基因之间相关性较大。4种抗性基因与河流地表水样本均呈正相关,沉积物中仅有sul1与WS1、QS1呈正相关,其他均呈负相关。抗性基因的传播仅与特定的菌群有关,大多数菌属是影响抗性基因分布丰度的主要因素,且对四环素类抗性基因影响的菌群较多。     

头孢噻肟钠与重金属对AmpC β-内酰胺酶类抗性基因转移的影响

为探究抗生素和重金属对抗性转移及接合子抗性基因丰度的影响,借助绿色荧光蛋白标记质粒,采用滤膜接合配对方法研究了胁迫条件对细菌接合频率的影响,定量检测了转移后的AmpC β-内酰胺酶类抗性基因丰度的变化.结果表明,头孢噻肟钠及重金属共胁迫促进了AmpC β-内酰胺酶类抗性基因从复杂群落到Escherichia coli BL21的转移.3μg·L~(-1)头孢噻肟钠胁迫下,细菌接合频率为空白组的2.06倍,其中,接合子耐药基因CIT、FOX和EBC的相对丰度分别升高了7.47、4.30和1.60倍.同时,以3μg·L~(-1)头孢噻肟钠胁迫组为对照,研究了重金属汞、铜和锌共胁迫对抗性转移的影响,考虑到头孢噻肟钠的水解特性和接合子克隆性扩增,接合时间定为3 h.结果发现,汞、铜、锌与头孢噻肟钠共胁迫组的细菌接合频率分别比对照组增长了2.57、1.60和1.74倍.汞共胁迫对接合子中7种AmpC β-内酰胺酶类抗性基因丰度无显著影响;铜共胁迫效应因抗生素抗性基因(ARGs)种类不同而不同,其中,对抗性基因EBC相对丰度的影响最大;锌共胁迫效应受锌离子浓度和ARGs种类影响,100 mg·L~(-1)锌共胁迫使得EBC和CIT丰度比对照组分别增加3.56和2.76倍.可见,抗生素与重金属共胁迫条件可促进环境中AmpC β-内酰胺酶类抗性基因的转移,值得关注.     

黄河中下游典型抗性细菌及抗性基因污染分布

以黄河中下游某城市段的黄河水体作为研究对象,对其中可培养总细菌、典型抗性细菌［阿莫西林（AMX）抗性细菌、磺胺甲唑（SMZ）抗性细菌］及其对应的典型抗性基因［β-内酰胺类抗性基因（bla_CTX-M）、磺胺类抗性基因（sulI、sulⅡ）］、1种整合酶基因intⅠ1的季节及沿程分布进行调研分析.结果表明,该市黄河流域可培养总细菌、AMX抗性细菌和SMZ抗性细菌受温度与人类活动影响显著,其菌属组成与数量具有明显的时空分布特征,主要以芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas）为主.抗性基因丰度随温度降低呈下降趋势,β-内酰胺类抗性基因在总基因中占比高于磺胺类基因,磺胺类基因中以sulI为优势基因.相关性分析表明,Ⅰ型整合子是加速抗性基因传播的重要因素.研究有助于了解该地黄河水体抗性污染现状,可为黄河中下游流域抗性基因风险评估提供理论支撑.     

动物粪便施肥措施促进耐药基因在粪便-土壤-蔬菜之间的散播

耐药基因（antibiotic resistant gene,ARG）在动物粪肥施用的土壤中被越来越多地检出,已经引起了人们对公共安全的担忧,但目前关于动物粪便施肥对蔬菜内生菌中耐药基因的影响尚不清楚.因此,本研究利用高通量定量PCR技术,探讨鸡粪肥施用对土壤、苦菊根和叶片中内生细菌菌群和耐药基因谱的影响.研究结果发现,鸡粪肥的施用不仅增加了土壤和苦菊根内生菌中ARG的数量,而且增加了土壤、苦菊根和叶片中内生菌的ARG丰度.相关性分析显示,土壤菌群和苦菊内生菌中ARG谱与细菌菌群组成密切相关,主要涉及变形杆菌纲、酸杆菌纲、放线菌纲和蓝藻细菌纲等细菌菌群.此外,苦菊内生菌与土壤菌群之间存在共有的ARG,表明土壤-苦菊之间存在耐药基因的内部传播.综上所述,鸡粪肥施用会通过粪便-土壤-植物路径增加蔬菜内生菌中ARG的多样性和丰度.     

3种常规消毒方法对磺胺类抗性基因削减效果的比较

近年来,抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)对人类和环境的潜在风险引起了广泛关注.本研究从1家城市污水处理厂二级出水中分离出两株磺胺类抗性细菌,控制浓度投加到灭菌后的出水中,分别进行氯消毒、紫外消毒、臭氧消毒处理,采用菌落计数法、q PCR法对消毒后目标细菌及磺胺类抗性基因(sulⅠ、sulⅡ)进行分析比较.同时采用"消毒+DNase I酶"实验研究磺胺类抗性基因在各消毒过程中的行为特征.结果表明,3种消毒均有效削减细菌浓度,但对抗性基因削减程度不高.结合"消毒+DNase I酶"实验分析,氯消毒削减磺胺类抗性基因与微生物量的降低有关;紫外消毒能直接破坏抗性基因;而臭氧消毒在大量削减细菌量的同时,抗性基因进入到胞外环境中,其潜在环境风险不容忽视.     

不同污泥在微波预处理-厌氧消化过程中抗性基因分布及菌群结构演替

城市污水厂剩余污泥是抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）的重要储存库,污泥处理过程中ARG的转归趋势及其与菌群结构变化的关系仍需人们深入研究.本研究考察了A²O和A²O-MBR工艺的城市污水厂剩余污泥的ARG与细菌群落结构在微波预处理-厌氧消化处理过程中的演变规律,结果表明,两种原污泥的菌群结构及携带的ARG丰度分布区别较大;虽然微波预处理不会显著改变菌群结构,但预处理-厌氧处理后的消化污泥菌群结构有显著差异;无论有/无预处理,厌氧消化过程对污泥中ARG和MGE的分布有趋同性的作用;ermF、qnrS和bla_NDM-1是厌氧消化过程中易于增殖传播的抗性基因;污泥特性中,生物量、氨氮和正磷对ARG和MGE分布的影响力最大;污泥性质对细菌群落结构、尤其是部分功能菌属变化有重要影响.本研究结果可为人们进一步了解污泥厌氧消化过程中ARG的传播与控制提供科学参考.     

氯和紫外消毒过程中胞外抗性基因的产生特征

考察了城市污水氯和紫外消毒过程中不同物理形态的胞外抗性基因的产生行为与及微生物群落的关联特征.结果表明,氯消毒尽管使胞内抗性基因丰度下降,但使结合型胞外抗性基因丰度明显上升（0.7±0.1）log,而游离型胞外抗性基因丰度下降（0.2±0.1）log.紫外消毒也使胞内抗性基因下降,但使游离型胞外抗性基因显著上升（0.4±0.2）log,而结合型胞外抗性基因丰度下降（0.3±0.1）log.氯消毒后,结合型胞外DNA（a-eDNA）中变形菌门丰度下降而其他菌门的丰度上升,细菌多样性指数由4.2上升到4.7;而游离型胞外DNA（f-eDNA）中变形菌门上升了6.6%,多样性指数则从3.5降低到2.8.紫外消毒后,a-eDNA中变形菌门丰度下降了36.6%,多样性则上升到4.8,而f-eDNA中细菌丰度变化较小.分子生态网络分析揭示了抗性基因与细菌间广泛的寄存关系,tetA、tetX、sulI和sulII分别与17、15、15和5种菌属间存在共现性,表明抗性基因潜在宿主的变化是导致消毒后胞外抗性基因产生的关键原因.本研究表明氯和紫外消毒不能消除抗性基因风险,反而通过导致不同胞外抗性基因的大量产生,使风险的形式发生变化.     

基于宏基因组技术分析MBR膜清洗后污泥中抗性基因

污水处理厂作为抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）的重要储存库,是自然界ARGs的主要来源之一.膜生物反应器（membrane bioreactor,MBR）被认为是一种能够有效去除污水处理厂中ARGs的技术工艺.MBR膜截留的废水中胶体、颗粒物、悬浮物及微生物代谢物中存在着大量的病原菌与抗性基因,而目前关于膜清洗后污泥中抗性基因的分布特征和规律尚不明确.本文采用宏基因组技术对MBR膜清洗后污泥中抗性基因进行了分析.结果显示,膜清洗后污泥中共检测出39门,其中优势菌门为Proteobacteria、Nitrospirae和Actinobacteria,优势菌属为Nitrospira、Pseudomonas和Bradyrhizobium.污泥样品含有的病原菌属占所有菌属的10.54%,其中Pseudomonas属相对丰度最高,占到所有菌属的3.94%.样品中共注释出17类ARGs和16类金属抗性基因（metal resistance genes,MRGs,15类单金属抗性基因和1类多重金属抗性基因）.其中,多药类抗生素抗性基因相对丰度最高,占49.08%.金属抗性基因中多重金属类抗性基因相对丰度最高,占该污泥样品的34.58%,单金属抗性基因中对铜的抗性基因数量最多,占19.99%.该膜清洗后污泥中微生物群落最主要的功能通路为代谢相关,并存在大量与人类疾病相关的代谢通路相关基因,其中涉及细菌耐药和细菌传染疾病的基因数量最多,分别为占人类疾病相关的代谢通路已注释序列的34.50%和16.62%.由此可见,膜清洗后污泥中蕴藏着丰富的ARGs、MRGs以及病原菌属,具有潜在的环境健康风险,需要加强对膜清洗后污泥中ARGs、MRGs以及病原菌的管控.本文为选择合适的技术工艺有效去除膜清洗后污泥中ARGs、MRGs以及病原菌提供指导.     

四环素对污泥蚯蚓粪中微生物种群和抗性基因的影响

城市污泥中高含量的四环素可能会致使污泥蚯蚓堆肥产物中携带高丰度的抗性基因,降低其利用价值.本实验采用赤子爱胜蚓处理添加不同含量四环素(100、500和1 000 mg·kg-1)的新鲜污泥,以不添加为对照组,分析微生物种群和四环素抗性基因(tet C、tet G、tet M、tet W和tet X)及整合子基因(int I1)在不同四环素选择性压力下的变化,揭示四环素含量对污泥蚯蚓堆肥中微生物种群和抗性基因的影响.结果表明,添加四环素降低了污泥蚯蚓堆肥产物中变形菌门的丰度但增加了拟杆菌门的丰度,且四环素的含量与细菌的Shannon和Pielou指数有明显的负相关关系.同时,添加四环素致使int I1增加了4. 25倍;四环素类抗性基因增加了4. 7～186. 9倍,其中tet M基因丰度与四环素含量呈现出显著的正相关关系.因此初始污泥中较高含量的四环素会改变污泥蚯蚓粪的微生物种群结构,增加抗生素抗性基因的丰度和传播风险.     

螺旋霉素废水处理过程中菌群结构、水质特征及抗性基因之间关系分析

抗生素制药废水常含有大量抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）,传播抗性污染的风险高于城市污水,但目前人们对抗生素制药废水处理过程中ARG转归影响机制研究尚有不足.本研究采用高通量测序考察某螺旋霉素制药废水厂A²O工艺过程中菌群结构变化,并通过多种统计学分析方法考察菌群结构、水质特征及ARG之间的相互关系.结果表明,生物处理单元中污泥的菌群结构受进水水质影响较小,其中厌氧和缺氧池中均以产甲烷菌与硫酸盐还原菌为优势菌,好氧池和二沉池中优势菌群的功能较为复杂;A²O系统对常规污染物去除效果较好,但不能稳定削减潜在致病菌丰度.水质特征、菌群结构和ARG之间存在显著相互影响关系,其中废水处理过程中生物量、NH₄⁺-N和化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）与ARG和可移动遗传元件（mobile genetic elements,MGE）的分布密切相关.在水相和泥相中对ARG和MGE产生显著影响的菌属不同,而且泥相中有更多的潜在致病菌与ARG显著相关性,即污泥中微生物同时获得耐药性和致病性的可能性比水相中高.本研究可为今后抗生素制药废水处理过程的抗性污染控制提供科学参考.     

养鸡场空气中抗性基因和条件致病菌污染特征

集约化养殖场被认为是空气环境中抗性基因和致病菌的重要来源.本研究采集了养鸡场粪便和舍内外空气样本,对其抗生素抗性基因和条件致病菌的种类进行分析,包括五类抗生素(β-内酰胺类的23个基因、四环素23个基因、喹诺酮5个基因、磺胺类5个基因和红霉素2个基因)抗性基因、5种条件致病菌(肠球菌属、大肠杆菌属、葡萄球菌属、弯曲杆菌属和产气荚膜梭状芽胞杆菌属各1个基因)以及一类整合子(int I1)特异基因;并利用荧光定量PCR对检出率较高的典型基因浓度进行检测.结果显示,空气中5类抗生素抗性基因分别检出8、7、2、3和2个,同时检测到两种致病菌.目标基因在舍内空气中的检出率小于等于粪便样本.蛋鸡和肉鸡舍内空气中总细菌基因(16S r DNA)浓度为106copies·m-3,其他典型基因浓度约104copies·m-3,且在舍外的浓度要远低于舍内.抗生素抗性基因和条件致病菌基因在空气中所占比例高于粪便,舍内高于舍外.初步研究结果表明,粪便可能是舍内抗生素抗性基因、条件致病基因以及一类整合子的重要来源.本研究结果将为集约化养殖场抗生素抗性基因和致病菌的来源分析,以及养殖场对周边空气环境污染的风险评估提供基础数据.     

零价铁对污泥厌氧消化过程中四环素抗性基因水平转移的作用影响

细菌抗药性问题已成为全球生态环境安全和人体健康领域的一个关注焦点.污水处理剩余污泥是抗生素抗性基因（ARGs）的一个重要储存库和排放源,采用荧光定量PCR方法检测分析了四环素抗性基因（TC-ARGs,包括tetA、tetC、tetG、tetM、tetO、tetW和tetX）及第一类整合子 intI1基因丰度在污泥厌氧消化过程中的变化特征,考察了不同投加量零价铁（Fe⁰）对目标基因的消长影响,初步分析了质粒DNA接合作用对TC-ARGs水平转移的作用影响,并探讨了TC-ARGs与 intI1基因之间的相关关系.结果表明,污泥厌氧消化过程对TC-ARGs和intI1基因丰度具有不同程度的削减作用,其中tetX基因丰度降幅可达2.4个数量级.Fe⁰的加入对TC-ARGs和intI1基因丰度削减不显著,并且随着Fe⁰投加量的增加,TC-ARGs和intI1基因丰度相比对照组出现逐渐升高的趋势.通过对质粒组DNA所携带的TC-ARGs基因丰度进行检测分析发现,质粒DNA接合作用对TC-ARGs的水平转移具有促进作用.相关性分析结果显示,tetG与intI1基因之间具有显著正相关关系,表明intI1基因在污泥厌氧消化过程中可能对tetG基因的演变过程具有重要影响.     

城市污水处理厂四环素抗性菌的筛选及其抗性基因分析

城市污水处理厂中抗生素抗性菌的富集和扩散对受纳水体及公共卫生安全造成严重的威胁.本研究从上海某城市污水处理厂活性污泥中筛选得到一株四环素抗性菌株TC-1,基于形态特征、生理生化特性和16S r DNA结果鉴定,菌株TC-1属于节杆菌属(Arthrobacter sp.).对节杆菌属菌株的全基因组分析表明,菌株TC-1含有多种抗生素抗性基因,包括四环素、氯霉素、大环内酯类和青霉素抗性基因.对比节杆菌属抗生素抗性基因的基因簇分析表明,这些抗性基因在节杆菌属中具有普遍存在性,表明其来源于相关菌株的遗传而非单个菌株的偶然获得.鉴于节杆菌属是潜在的病原性微生物,该结论可为废水生物处理系统中含抗生素抗性基因的致病微生物环境行为和风险评估提供参考.     

零价铁对污泥高温厌氧消化过程中四环素抗性基因及第一类整合子的消减影响

为研究污泥高温厌氧消化过程中零价铁(Fe0)对抗生素抗性基因的消减影响,采用荧光定量PCR方法定量检测了7种四环素抗性基因(TC-ARGs,包括tetA、tetC、tetG、tetM、tetO、tetW和tetX)及第一类整合子int I1基因在厌氧消化过程中的丰度变化,同时检测分析了挥发性脂肪酸(VFAs)的质量浓度变化,并探讨了目标基因与VFAs之间的相关关系.结果表明,适量Fe0(如0.10 g·g~(-1),以Fe0/VSS计)不仅可以强化污泥厌氧消化进程,显著提高总VFAs和乙酸的产生量,而且能够增强TCARGs和int I1基因的消减效果.尽管如此,过量Fe0(如1.17 g·g~(-1),以Fe0/VSS计)对污泥高温厌氧消化过程中TC-ARGs和int I1基因消减的增强效果并不显著,推测可能是由于基因水平转移的发生所导致的.通过相关性分析可知,TC-ARGs(除tetO基因外)和int I1基因与乙酸之间存在显著负相关性,表明乙酸可能对TC-ARGs和int I1基因的消减具有促进作用.