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石义静副研究员在JHM上发表论文:好氧颗粒污泥对氟喹诺酮类抗生素的响应:微生物群落结构以及抗生素抗性基因

2021-03-30 12:32:40 来源:金沙官网环境研究院 点击:

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图文摘要

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成果简介


近日,金沙官网应光国教授团队石义静副研究员等人在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Responses of aerobic granular sludge to fluoroquinolones: Microbial community variations, and antibiotic resistance genes”的研究论文(DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.125527),基于处理氟喹诺酮类抗生素的好氧颗粒污泥系统,考察了不同抗生素浓度压力下以及不同粒径污泥中抗生素抗性基因/移动遗传元件的演化规律,评估了将好氧颗粒污泥用于抗生素类废水去除的生态风险。课题组成员通过测定颗粒污泥粒径、EPS产生及组成以及比好氧速率(SOUR)变化,评估了抗生素压力下系统运行的稳定性;采用荧光定量PCR和高通量测序的手段,分别考察了抗生素和污泥粒径对抗性基因水平及分布的影响及其与硝化菌、反硝化细菌以及抗生素降解菌的相关性。研究重点对废水生物处理工艺的生态风险进行了评估,研究结果可为抗生素类废水处理工艺的选择提供理论依据和支撑。

 

全文速览

针对废水中抗生素污染及其生物处理过程可能面临的生态风险问题,本研究构建了好氧颗粒污泥系统,并将其应用于3种氟喹诺酮类抗生素的去除,评估了抗生素压力下好氧颗粒污泥系统运行稳定性以及抗生素抗性基因/移动遗传元件的含量水平及其分布规律。研究结果发现,逐步提高进水中抗生素浓度(3 μg/L300 μg/L900 μg/L)并没有造成两种喹诺酮类抗性基因(qnrDqnrS)的富集,但是增加了抗性基因水平转移的风险;对比不同颗粒粒径,我们发现抗生素抗性基因及移动遗传元件更倾向于富集在大粒径颗粒中。

 

引言

抗生素的大量使用导致其在环境中的残留,微生物驱动的强化生物降解是降低环境抗生素的有效途径。然而,通过富集功能微生物以促进抗生素去除的方式往往也会导致抗生素耐药菌和耐药基因的选择及传播。作为一种新型的污水生物处理技术,好氧颗粒污泥具有复杂的层状结构、微生物种群多样化,可以实现好氧菌(如硝化菌)、兼性菌以及厌氧菌(如反硝化菌)在同一颗粒中存在。然而,抗生素压力下,好氧颗粒污泥系统尤其不同粒径颗粒中抗性基因/移动遗传元件的分布规律仍不明晰。基于此,本研究构建了好氧颗粒污泥系统并将其应用于抗生素废水的去除,重点探讨了系统运行稳定性以及抗生素耐药风险。

 

图文导读

系统运行

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Fig. 1. Reactor performance for FQs removal along with the reactor operation (A) and FQs removal kinetics based on the batch tests at the end of each operational stage: (B) CFX, (C) OFX, and (D) NFX. The initial antibiotic concentration for batch tests is 500 µg/L. Error bars represent the standard deviation. Solid lines in B, C, and D represent the single first-order model of FQ removal process. 

将好氧颗粒污泥应用于喹诺酮类抗生素的去除,结果发现,3喹诺酮类抗生素的去除效果呈现出以下规律:环丙沙星(CFX诺氟沙星(NFX>氧氟沙星(OFX

抗性基因

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Fig. 2. Relative abundances of ARGs and intI1 gene in granular sludge collected at four operational conditions and in sludge fractions collected at the end of Stage 4. The abundances of ARGs and intI1 were normalized to the gene copies of 16S rRNA. Letters (a, b, c, d) indicate significant differences among different samples (p < 0.05).Stage 1: no FQs exposure; Stage 2: 3 µg/L FQs; Stage 3: 300 µg/L FQs; Stage 4: 900 µg/L FQs. Fraction 1: < 0.5 mm; Fraction 2: 0.5-1.0 mm; Fraction 3: 1.0-1.6 mm; Fraction 4: 1.6-2.0 mm; Fraction 5: > 2.0 mm.

逐步提高进水中抗生素浓度(3 μg/L300 μg/L900 μg/L)并没有造成两种喹诺酮类抗生素抗性基因(qnrDqnrS)的富集,而相比无抗生素压力下,900 μg/L氟喹诺酮则显著提高了intI1在系统中的富集,表明抗性基因水平转移风险的提高。对比不同颗粒粒径,我们发现抗生素抗性基因更倾向于富集在大粒径颗粒中;而随着颗粒粒径增加,移动遗传元件则呈现出先升高后降低的趋势,可能是溶解氧以及抗生素/营养元素扩散限制引发的微生物活性减弱导致的。

 

微生物群落

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Fig. 3. Microbial population dynamics of granular sludge along with the 4 operational stages: (A) the relative abundance of the main bacterial phylum; (B) NMDS plots of the microbial communities; (C) the phylogenetic dendrogram of biomarker bacteria among the four stages and the linear discriminant analysis (LDA) score of abundant biomarkers. The inner to outer circles correspond to the kingdom (innermost) to species levels, with yellow points showing no significant differences among bacteria; (D) quantitative correlation of the ARGs/intl1 and bacterial genera.

高通量测序结果发现,抗生素选择压力显著增加了反硝化菌Thauera在系统中的富集,分别由1.9%增加到3.8%7.0%15.7%。而相关性分析发现,Thauera的富集有利于系统中喹诺酮类抗生素的去除。

 

功能微生物分析

Table 1 Relative abundance of bacteria associated with nitrification, denitrification, and organic degradation based on relative abundance of top 30 genera of bacteria

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进一步考察了硝化菌(氨氧化细菌AOB亚硝酸盐氧化菌NOB)、反硝化细菌以及喹啉降解菌在抗生素压力下的演化规律。ThaueraDokdonellaAlicycliphilusHydrogenophaga4种主要的反硝化菌,而NitrosomonasNitrospira则分别是典型的AOBNOB。在好氧颗粒污泥中也发现了两种喹啉降解菌,即AlicycliphilusBrevundimonas,相关性分析表明其可能分别是qnrSqnrD的潜在宿主。

 

小结

这项工作探讨了好氧颗粒污泥系统处理氟喹诺酮类抗生素的可行性、稳定性及其生态风险。氟喹诺酮类抗生素的去除伴随着反硝化菌Thauera和移动遗传元件intI1的富集。相比硝化菌,喹诺酮类抗生素抗性基因跟反硝化菌相关性更好;两种喹啉降解菌AlicycliphilusBrevundimonas可能分别携带qnrSqnrD。该工作为评估抗生素生物处理工艺的生态风险提供理论依据。

 

参考文献:

Y.J. Shi, L. Yang, S.F. Liao, L.G. Zhang, Z.C. Liao, M.Y. Lan, F. Sun, G.G. Ying, Responses of aerobic granular sludge to fluoroquinolones: Microbial community variations, and antibiotic resistance genes, Journal of Hazardous Materials, 2021, 414: 125527.