三峡库区典型支流沉积物中抗生素及抗性基因多样性研究

摘要

抗生素的过度使用加速了自然环境中抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）的产生与传播，对生态环境产生很大的危害，探究不同流域的抗生素和抗性基因已成为环境领域的研究热点。三峡水库具有典型的河道型水库的特征，其“冬蓄夏排”的运行模式使水域环境发生了巨大变化。受库区回水顶托作用的影响，许多支流成为陆源输入污染物的汇，并对水生生态系统产生不利影响。为探究三峡库区典型支流新型污染物的污染状况，本研究以位于三峡库区龙溪河下游的长寿湖、忠县区段的甘井河和龙滩河的沉积物为研究对象，调查了抗生素、抗性基因的地域分布特征及环境影响因素，主要研究结果如下：　　（1）采用高效色相色谱法（Liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）测定了沉积物中磺胺类、四环素类、喹诺酮类、大环内酯类以及 β-内酰胺类五大类共14种抗生素的残留浓度。结果显示：三峡水库支流下游沉积物中的抗生素具有明显的空间异质性，其中长寿湖沉积物中抗生素的平均含量为 58.99ng/g，整体上表现为生态养殖区＞生态旅游区＞湿地保护区。甘井河与龙滩河沉积物的抗生素平均含量分别为47.48ng/g和45.38ng/g。同时，本研究中采用风险商值法对沉积物中抗生素残留进行生态风险评价，结果表明：沉积物中四环素、磺胺甲恶唑的环境风险较高，甲氧苄胺嘧啶、氧氟沙星、罗红霉素表现为痕量残留，风险商基本处于0.1以下，其它抗生素基本上处于中等生态风险范围。空间上，各采样点位的抗生素风险具有明显的差异性。长寿湖的平均风险为 0.66，其中个别点位呈现高风险。甘井河的平均风险为 0.49，龙滩河的平均风险为 0.43，均为中等风险，表明沉积物中的抗生素产生的生态风险并不显著。　　（2）采用普通聚合酶链式反应（Polymerase chain reaction，PCR）和荧光定量PCR（Quantitative real-time PCR，QPCR）技术分别对沉积物中四环素类（tetA、tetB、tetC、tetG、tetM、tetO、tetQ、tetW）、磺胺类（sul1、sul2）、喹诺酮类（qnrA、qnrB、qnrC、qnrS）、大环内酯类（ermA、ermB、ermF）、β-内酰胺类（blaTEM、blaSHV、blaCTX-M）、转座子（intI1、int2、Tn916f/1545r）等23种ARGs和16S rRNA进行检测，结果表明：β-内酰胺类ARGs与转座子在本研究中均未检出，其余类别抗性基因的相对丰度依次为：磺胺类＞四环素类＞大环内酯类＞喹诺酮类。长寿湖沉积物的抗性基因平均相对丰度为6.34× 10-3，不同点位的ARGs分布差异明显，整体上呈现出生态养殖区的含量高于生态旅游区，湿地保护区的含量最低。甘井河与龙滩河沉积物的抗性基因平均相对丰度分别为6.38×10-3和6.07×10-3，外源输入的相似性使其抗性基因的分布较为一致。　　（3）开放的自然环境中抗生素和抗性基因的分布受多种因素影响。冗余分析和Pearson分析表明沉积物中的抗生素的含量与Ni有关，但不同流域新型污染物的环境影响因素存在较为明显的差异性。其中，长寿湖的抗生素除了与重金属（Mn、Zn、Cu、Pb）存在复合污染以外，还与有机质存在显著相关性；甘井河抗生素仅与NO2--N显著相关；龙滩河与本研究所检测的环境因素无关，但不排除其他环境因素的干扰。长寿湖 ARGs 含量的环境影响因素主要是 Mn、Zn、Ni 和有机质，其他流域的抗性基因不受本研究所检测的环境因子的影响。抗生素与抗性基因之间的相关性分析结果表明抗生素可以诱导同类别和不同类别的抗性基因的产生与传播。同源性分析结果表明，除了同类别的 ARGs 之间具有同源性，不同类别的ARGs也具有共同的复合污染来源，可能是由于遗传元件相同使ARGs之间存在联系，从而使得不同ARGs的污染来源具有相似性。

目录

中英文对照及缩略表

1 绪论

1.1 抗生素

1.1.1 抗生素的使用现状

1.1.2 抗生素的环境效应

1.1.3 抗生素的研究现状

1.1.4 抗生素与重金属的复合污染

1.2 抗性基因

1.2.1 抗性基因的传播扩散机制

1.2.2 抗性基因的研究现状

1.2.3 重金属与抗性基因的协同选择作用

1.3.1 研究背景及意义

1.3.2 研究内容与方法

1.3.3 技术路线

2 实验材料与方法

2.1 研究区域概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 水文气象特征

2.1.3 地形特征

2.2.1 布点情况

2.2.2 采样方法

2.3 材料与方法

2.3.1 主要仪器和设备

2.3.2 标准样品及试剂

2.3.3 沉积物特征参数的测定

2.3.4 抗生素的测定

2.3.5 抗性基因的检测

2.4 数据处理

3 支流沉积物中抗生素的赋存状况

3.1 引言

3.2 沉积物中的抗生素的污染特征

3.3 沉积物中的抗生素的空间分布特征

3.4 生态风险评估

3.5 小结

4 支流沉积物中抗性基因的分布特征

4.1 引言

4.2 抗性基因的检测结果

4.3 抗性基因的空间分布特征

4.4 小结

5 抗生素及抗性基因与理化因子的相关性研究

5.1 引言

5.2 抗生素与抗性基因之间的相关性分析

5.3 抗生素的环境影响因子

5.3.1 抗生素与环境因素的相关性分析

5.3.2 抗生素的同源性

5.4 抗性基因的环境影响因子

5.4.1 抗性基因与重金属的相关性分析

5.4.2 抗性基因与环境指标之间的相关性分析

5.4.3抗性基因与16S rRNA的相关性分析

5.4.4 抗性基因的同源性

5.5 小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的学术交流

C. 学位论文数据集

致谢