流域水体及饮用水处理过程中抗生素抗性基因的行为特征

摘要

抗生素被广泛应用于感染性疾病的控制，是20世纪最重要的医学发现之一。然而，长期不合理使用和滥用抗生素导致细菌产生了耐药性。作为细菌耐药性的根本原因，抗生素抗性基因已被认为是一种新型污染物。人类活动会导致地表水环境中抗生素抗性基因的广泛传播，而自来水厂常以河流、水库为饮用水水源，抗生素抗性基因污染的控制需求对饮用水处理工艺提出了新的挑战。自来水厂常采用生物活性炭工艺作为饮用水深度处理工艺，但关于生物活性炭对抗生素抗性基因处理效果的研究报道较少。科学评估饮用水生物活性炭等工艺过程中抗生素抗性基因的行为特征和传播规律，将有助于饮用水保障和人类健康保护。
　　本研究通过高通量荧光定量PCR、16S rRNA高通量测序技术等，调查研究城郊流域水体中抗生素抗性基因、细菌群落结构等的四季时空分布特征，评估人类活动对抗生素抗性基因传播的影响程度。在饮用水水源背景的调查基础上，研究实际自来水厂生物活性炭工艺中抗生素抗性基因的行为特征，鉴别目标风险基因并解析其传播机制。结合小试研究结果，本研究对活性炭种类、空床接触时间、反冲洗方式等生物活性炭工艺参数进行建议，为实际生物活性炭工艺中抗生素抗性污染的控制提供理论基础。
　　研究结果显示，城镇、农村等人类区域抗生素抗性基因是背景值5.2-33.9倍，人类活动能造成抗生素抗性的普遍污染，高温季节污染程度更为严重。可视化分析（基因网络和LEfSe分析）鉴别了城郊流域水体中抗生素抗性基因和细菌群落结构的生物标记，blaVEB和tetM可作为代表污染基因以便于长期监测。相关性分析认为，城郊流域水体中细菌群落结构、可移动基因元件均与抗生素抗性基因显著相关性，其中可移动基因元件是其传播扩散的主控因素。
　　自来水厂生物活性炭工艺中研究结果显示，该工艺会导致饮用水抗生素抗性污染的加剧，抗生素抗性基因的检出数量以及β-内酰胺类、喹诺酮-氯霉素类、大环内脂-林可酰胺-链阳性菌素B类抗性基因的相对丰度均上升了1倍。源解析认为，出水抗生素抗性基因结构受到了活性炭表面生物膜的影响，29个目标风险基因进入饮用水后，不能得到有效的控制，将对人类健康产生潜在危害。
　　通过实验室小试研究，活性炭选型会对生物膜形成和出水水质产生影响，煤质炭效果好于木质炭，SEM电镜结果显示可能与活性炭孔隙结构有关，载银活性炭能依靠银离子抑菌效果而有效控制抗生素抗性传播。生物活性炭长期运行过程中，空床接触时间影响到出水水质情况，且存在膜污染的突变点，抗生素抗性基因的显著上升。综合考虑下，空床接触时间设置为20min，并在达到突变点后进行气洗等反冲洗处理，可有效保障出水水质。

目录

声明

致谢

前言

摘要

第一章 绪论

1．1 抗生素抗性基因概述

1．1．1 抗生素抗性基因的出现

1．1．2 抗生素抗性基因的传播

1．2 水环境中的抗生素抗性基因

1．2．1 水环境中抗生素抗性基因的来源

1．2．2 水环境中抗生素抗性基因的传播

1．2．3 抗生素抗性基因传播的影响因素

1．3 饮用水环境中的抗生素抗性基因

1．3．1 饮用水处理技术

1．3．2 饮用水中的抗生素抗性基因

1．4 检测方法进展

1．4．1 平板培养法

1．4．2 聚合酶链式反应

1．4．3 荧光定量PCR方法

1．4．4 高通量荧光定量PCR

1．4．5 高通量测序

1．5 研究目标与内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

第二章 城郊流域中抗生素抗性基因的时空分布特征

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 样品采集

2．2．2 DNA提取

2．2．3 高通量荧光定量PCR

2．2．4 实时荧光定量PCR

2．2．5 16S rRNA基因高通量测序

2．2．6 数据处理与分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 抗生素抗性基因的丰度与多样性

2．3．2 抗生素抗性基因的时空变化

2．3．3 细菌群落结构

2．3．4 相关性分析

2．4 小结

第三章 抗生素抗性基因在自来水厂处理过程中的行为特征

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 样品采集

3．2．2 DNA提取

3．2．3 仪器分析

3．2．4 数据处理与分析

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 生物活性炭工艺中抗生素抗性基因的变化情况

3．3．2 抗生素抗性基因的源解析

3．3．3 抗生素抗性基因的影响因素分析

3．4 小结

第四章 生物活性炭工艺参数对抗生素抗性基因的影响

4．1 引言

4．2 实验材料与方法

4．2．1 实验装置

4．2．2 实验变量设置

4．2．3 抗生素抗性基因标准曲线的建立

4．2．4 实时荧光定量PCR

4．2．5 数据处理与分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 活性炭种类的影响

4．3．2 空床接触时间的影响

4．3．3 反冲洗方式的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 建议与展望

参考文献

附表

个人简历

攻读硕士学位期间学术成果