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聚苯乙烯微塑料胁迫下SBR系统中P、N、C相关功能基因促进抗生素抗性基因的传播

期刊:water researchDOI:10.1016/j.watres.2023.119884

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:

作者及研究机构

本研究的主要作者包括Zhiyin Ren、He Guo、Hekai Jin、Yanjie Wang、Guodong Zhang、Jian Zhou、Guangzhou Qu、Qiuhong Sun和Tiecheng Wang。他们分别来自西北农林科技大学资源环境学院、南京林业大学生物与环境学院、农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室以及西北农林科技大学水土保持研究所。该研究于2023年3月17日在线发表在《Water Research》期刊上,文章编号为119884。

学术背景

本研究的主要科学领域是环境科学与工程,特别是污水处理过程中微塑料(Microplastics, MPs)对抗生素抗性基因(Antibiotics Resistance Genes, ARGs)传播的影响。微塑料作为一种全球性环境污染物,广泛存在于水体中,尤其是污水处理厂(Wastewater Treatment Plants, WWTPs)中。污水处理厂不仅是微塑料的重要汇,也是抗生素抗性基因的重要来源。然而,关于微塑料胁迫下污水处理厂功能模块(如碳、氮、磷循环相关功能基因)与抗生素抗性基因传播之间的联系仍缺乏深入研究。因此,本研究旨在探讨聚苯乙烯微塑料(Polystyrene Microplastics, PS MPs)对序批式反应器(Sequencing Batch Reactor, SBR)系统中功能基因和抗生素抗性基因传播的影响,并揭示其潜在机制。

研究流程

本研究包括以下几个主要步骤:

  1. SBR系统的建立与运行
    研究设置了四个3升的SBR系统,分别添加0.5、5和50 mg/L的聚苯乙烯微塑料,一个作为对照组(无微塑料添加)。每个SBR系统的运行周期包括进水、厌氧阶段、好氧阶段、沉淀、排水和闲置阶段。实验持续32个周期,期间定期采集出水样品和污泥样品进行分析。

  2. 污泥样品的理化性质分析
    研究分析了污泥中的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)含量,包括紧密结合EPS(Tightly Bound EPS, TB-EPS)、松散结合EPS(Loosely Bound EPS, LB-EPS)和可溶性EPS(Soluble EPS, S-EPS)。此外,还测量了污泥中的蛋白质、多糖、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)、氮和磷的含量。

  3. 微生物群落分析
    通过Illumina MiSeq测序技术对污泥样品中的微生物群落进行分析,使用E.Z.N.A™ Mag-Bind Soil DNA Kit提取DNA,并通过16S rRNA基因测序确定微生物的多样性和丰度。

  4. 抗生素抗性基因和功能基因的定量分析
    研究通过实时定量PCR(qPCR)技术,定量分析了污泥样品中四环素抗性基因(tetC、tetW)、β-内酰胺抗性基因(blaTEM-1)、氨基糖苷抗性基因(aac(3)-II)以及I类整合子基因(intI1)的绝对丰度。此外,还检测了71个与碳、氮、磷循环相关的功能基因。

  5. 数据分析
    研究使用SPSS Statistics 25软件进行统计分析,通过单因素方差分析(ANOVA)检验差异显著性,并通过Pearson相关性分析探讨细菌群落与功能基因之间的关系。网络分析则通过Gephi软件进行。

主要结果

  1. 出水水质的变化
    在0.5–50 mg/L的聚苯乙烯微塑料胁迫下,SBR系统的总磷(TP)和COD去除效率在32个周期内没有显著变化,但0.5 mg/L的微塑料影响了氮循环过程。微塑料的添加促进了微生物群落的多样性和丰富度,尤其是脱氮过程较为活跃。

  2. 微生物群落结构的变化
    微塑料的添加显著增加了微生物群落的Shannon指数和Chao指数,表明微塑料促进了微生物群落的多样性和丰富度。在门水平上,变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度增加,而Candidatus Saccharibacteria的相对丰度下降。

  3. 功能基因的表达变化
    低剂量(0.5–5 mg/L)的聚苯乙烯微塑料显著促进了与碳固定、碳降解、磷循环和氮循环相关的功能基因的表达。特别是,还原乙酰辅酶A途径(Reductive Acetyl-CoA Pathway)在碳固定中起主导作用。

  4. 抗生素抗性基因的传播
    低剂量(0.5 mg/L)的微塑料显著促进了aac(3)-II、blaTEM-1和tetW基因的丰度,intI1基因的绝对丰度几乎翻倍。78.4%的碳、氮、磷循环相关功能基因与intI1基因呈正相关,表明这些功能基因可能促进了抗生素抗性基因的传播。

结论

本研究首次揭示了微塑料胁迫下污水处理厂功能模块与抗生素抗性基因传播之间的潜在联系。研究发现,低剂量的聚苯乙烯微塑料能够促进微生物群落的多样性和功能基因的表达,从而增强抗生素抗性基因的传播。此外,研究还发现,还原乙酰辅酶A途径在碳固定中起主导作用,且EPS的分泌与抗生素抗性基因的传播密切相关。

研究亮点

  1. 重要发现
    低剂量的聚苯乙烯微塑料显著促进了抗生素抗性基因的传播,且功能基因的表达与intI1基因呈正相关。

  2. 方法新颖性
    研究通过结合高通量测序和实时定量PCR技术,全面分析了微塑料对污水处理系统中微生物群落、功能基因和抗生素抗性基因的影响。

  3. 研究对象的特殊性
    研究聚焦于污水处理厂中微塑料对抗生素抗性基因传播的影响,填补了这一领域的知识空白。

其他有价值的内容

研究还提供了详细的实验方法和数据分析流程,为后续研究提供了重要的参考。此外,研究结果对污水处理厂中微塑料和抗生素抗性基因的控制具有重要的应用价值。

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