金泽水源地抗生素与抗生素抗性基因赋存特征研究

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饮用水水源地通常是以河流和水库两种不同特征的水体构成的“河流-水库”复合型系统的形式存在,其水质与人类健康息息相关,而目前关于污染物在“河流-水库”系统中的污染特征的研究较少涉及,因此,对污染物从河流系统至水库系统环境梯度下的污染特征的研究,能够对污染物在水环境中的赋存特征和环境行为有更全面的理解。再者,为改善水库水质,一些净化工艺逐渐融入水库的建设中,而实际应用于水库中的净化措施对污染物的净化作用还有待研究,以此为水源地的污染控制和综合管理提供依据。此外,水动力条件是污染物在水体中赋存的重要影响因素,对水库水动力进行数值模拟,以此为研究污染物在水体中的迁移转化规律提供依据。因此,鉴于金泽水源地包括太浦河和由太浦河引水的金泽水库,本研究以金泽水源地作为“河流-水库”系统的研究对象,展开水源地水质调查,以及抗生素与抗生素抗性基因污染的研究。利用三重四级杆液质联用仪检测5大类共17种抗生素,利用高通量荧光定量PCR检测9大类共283种抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs),利用Delft 3D软件建立水库水动力模型。主要研究结论如下:(1)DTN和DTP均呈现显著季节性变化,说明季节及其引起的水文条件的变化会对水体中DTN和DTP的赋存产生影响。与河流系统赋存水平相比,水库系统对DTP有一定的削减作用,而易富集氮营养盐。各形态无机氮中,以NO3--N为主要存在形态,说明水体具有一定的净化能力。根据综合营养状态指数法(TLI)评价水体富营养化情况,该水源地水体大多数情况下处于轻度富营养状态。(2)17种抗生素在金泽水源地“河流-水库”系统水体中均有检出,除万古霉素外,其余抗生素的检出率均大于70%;抗生素浓度范围为n.d.-296.4 ng/L;喹诺酮类抗生素是该水源地水体中的主要抗生素污染类型。季节变化上,冬季抗生素浓度水平最高、夏季浓度水平最低;冬季抗生素浓度是其他季节的1.6-2.1倍。空间变化上,河流系统中抗生素赋存水平高于水库系统,且在水库系统中,抗生素浓度从预处理区至生态净化区、再到输水区呈逐渐降低趋势,表明水库净化措施对抗生素污染具有一定的净化作用。生态风险评价结果表明,抗生素对金泽水源地“河流-水库”系统水体的生态风险整体呈现低风险水平,诺氟沙星、阿莫西林和青霉素G对水源地的生态风险水平相对较高,应得到优先控制;此外,水库中的净化措施具有降低抗生素生态风险的作用。(3)金泽水源地平均检出ARGs69种,其绝对丰度范围为n.d.-3.20×1010 copies·L-1,相对丰度范围为n.d.-2.65×10-1;多重抗药类ARGs、氨基糖苷类ARGs和磺胺类ARGs是该水体中主要的抗生素抗性基因污染类型。ARGs绝对丰度在S1处(库外)最大,在春季最高;ARGs相对丰度在S1(库外)处最大,在冬季最高。ARGs丰度总体呈现从预处理区到生态净化区、再到输水区逐渐降低的趋势,水库中生态净化区的水生植物及人工浮岛在削减ARGs丰度上发挥了一定的作用。MGEs在ARGs的水平转移、传播和富集过程中发挥重要作用。(4)建立金泽水库三维水动力模型,模型验证结果表明,该水动力模型能够较好模拟金泽水库水动力情况。模拟结果表明,水库内水流流速在各点间的变化规律为S2>S3>S5>S6>S4;水库的流场受水库运行方式的影响;水温呈现季节性变化趋势,与气温的变化趋势一致,且不存在垂直分层现象。水流条件及水温会影响抗生素及抗生素抗性基因在水体中的赋存。
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