渗滤液中金属纳米颗粒和纳米/微塑料对抗生素抗性基因影响及抗性风险控制研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wjsj123
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抗生素抗性基因(ARGs)在环境中的富集和传播给人类健康带来潜在威胁,填埋渗滤液作为ARGs的重要储存库和环境污染源引起了研究者的高度关注。填埋渗滤液也是金属纳米颗粒、纳米塑料和微塑料(纳米/微塑料)的重要的“汇”。近年来,金属纳米颗粒和微塑料已被发现与抗生素抗性风险紧密相关。然而,在填埋体系中金属纳米颗粒和纳米/微塑料与ARGs共存对ARGs的影响尚未可知。因此,本论文通过采集填埋场实际渗滤液,利用荧光定量PCR、微生物高通量测序和生物信息学等手段,开展了金属纳米颗粒和纳米/微塑料对渗滤液中ARGs演变的影响机制研究,并鉴于微塑料表面能够附着抗生素抗性细菌(ARB)和ARGs,探究了氯消毒和芬顿氧化两种处理技术对存在于渗滤液中及微塑料表面的ARGs和ARB的削减和二次传播的控制。本文的主要研究内容和重点结论如下:1.金属纳米颗粒对渗滤液中ARGs演变的影响和机制:通过对氧化锌和零价铁两种代表性金属纳米颗粒(Zn O NPs和Fe~0 NPs)暴露后的渗滤液中ARGs丰度变化分析表明,Zn O NPs暴露促进渗滤液中目标ARGs的增殖,随暴露浓度增加,对目标ARGs的促进作用增强,当Zn O NPs浓度为500 mg/L时,暴露56天后,所有目标ARGs的绝对丰度是对照组中的1.4-6.7倍;Fe~0 NPs暴露导致渗滤液中目标ARGs丰度降低,在500 mg/L Fe~0 NPs暴露56天后,目标ARGs绝对丰度相比对照组降低了33.0%-77.5%。Zn O NPs暴露导致渗滤液中细菌群落发生改变,多种ARGs潜在宿主相对丰度增加,在ARGs增殖过程中发挥了主导作用,同时,Zn O NPs暴露提升了MGEs的丰度,增加了MGEs介导的ARGs的水平转移潜力,促进ARGs在渗滤液中的传播扩散。在Fe~0 NPs暴露情况下,MGEs丰度降低,导致ARGs的水平转移潜力下降,是ARGs衰减的主要驱动因素,其次,Fe~0 NPs诱导潜在宿主丰度的降低也有助于ARGs的削减。2.纳米/微塑料对渗滤液中ARGs演变的影响和机制:通过对50-100 nm、200-500 nm和9.0-9.9μm纳米/微塑料暴露后的渗滤液中ARGs丰度变化分析表明,三种粒径纳米/微塑料的长期暴露均可导致渗滤液中目标ARGs丰度显著增加,且200-500 nm纳米塑料对ARGs的促进作用最显著,所有目标ARGs绝对丰度是对照组的1.98-2.82倍。对细菌群落和MGEs丰度变化分析发现,纳米/微塑料暴露能引起渗滤液中细菌群落的改变,导致ARGs潜在宿主菌丰度增加,从而促进ARGs的增殖,同时也导致MGEs丰度的增加,且ARGs丰度与MGEs丰度显著正相关,表明纳米/微塑料暴露诱导的ARGs的增殖可能与增加的MGEs介导的水平转移有关。此外,纳米塑料暴露可进一步导致细菌胞内活性氧(ROS)含量和细胞膜渗透性显著增加,促进ARGs的水平转移,因此也可能是其导致ARGs增殖的一个重要原因。3.渗滤液中微塑料表面ARGs的赋存特性:通过对微塑料表面和渗滤液体系中ARGs丰度比较分析表明,微塑料表面能够选择性富集ARGs,来源于不同填埋龄渗滤液中的微塑料表面ARGs富集规律一致,str B和bla TEM在微塑料表面富集程度最大,而mef A、erm B、tet M和tet Q富集程度较小,且随着培养时间增加,ARGs在微塑料表面富集程度增大。在培养60天后,微塑料表面str B和bla TEM丰度比周围渗滤液高1-2个数量级,而mef A、erm B、tet M和tet Q丰度仅是周围渗滤液中的1.1-6.2倍。对微塑料表面ARGs富集的原因进行探究发现,相比渗滤液,微塑料表面具有更高的MGEs丰度和人类致病菌丰度较高的特征性细菌群落,相关分析表明,MGEs以及多种被富集的菌属和致病菌均与ARGs显著相关,因此,更高的MGEs介导的水平转移能力和ARGs宿主菌的富集是导致微塑料表面ARGs富集的重要因素。4.氯消毒/芬顿氧化对渗滤液及微塑料表面ARGs/ARB的削减控制:在渗滤液和微塑料两个介质层面,探究了ARGs和ARB在不同浓度氯消毒和芬顿氧化作用后的消长规律,并对处理结束48 h后ARGs和ARB丰度变化进行分析以探明两种处理技术对ARGs/ARB二次传播的控制。结果显示,氯消毒和芬顿氧化对渗滤液中目标ARGs绝对丰度最高可分别削减54.3-77.6%和>99.9%(4.0-4.5 log),明显优于对微塑料表面目标ARGs的削减效果(34.0-46.3%和92.1-97.3%(1.1-1.6 log)),对渗滤液中和微塑料表面ARB的去除与ARGs去除规律一致;氯消毒(5、10、20、50 mg/L)处理结束48 h后,微塑料表面目标ARGs绝对丰度和ARB丰度相比处理结束时显著增加,并且增加幅度相比渗滤液明显更高,而芬顿氧化处理后渗滤液及微塑料表面目标ARGs和ARB均未见明显回升。这些结果说明,芬顿氧化比氯消毒具有更好的对ARGs和ARB的削减和二次传播遏制能力,且相比渗滤液,微塑料表面富集的ARGs和ARB对氯消毒和芬顿氧化处理具有更强的抵抗能力。综上所述,本论文证实了金属纳米颗粒和纳米/微塑料对渗滤液中ARGs的影响,并揭示了微塑料作为载体对ARGs的选择性富集以及微塑料表面ARGs更难削减控制的特性。研究结果对于系统评估金属纳米颗粒和纳米/微塑料与ARGs共存的环境风险以及填埋体系和其它环境中抗生素抗性的风险防控具有重要意义。
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