抗生素选择压力下微生物菌群响应及细菌耐药性发展的研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangpin1
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抗生素的广泛使用不可避免地造成环境中抗生素的残留。氨基糖苷类抗生素(AGs)和β-内酰胺类抗生素(BLAs)都是广泛使用的抗生素类别。然而,这两类抗生素对细菌耐药性、微生物群落和抗生素抗性基因(ARGs)的影响尚未明确。因此,本研究选择卡那霉素(KAN,属于AGs类抗生素)和氨苄西林(AMP,属于BLAs类抗生素),建立序批式反应器研究了在不同浓度梯度下这两种抗生素对活性污泥中细菌耐药性、微生物群落和ARGs的影响。主要研究内容如下:实验室反应器先在KAN和AMP抗生素下进行持续暴露后,结合传统纯培养、基于高通量测序的16S r RNA基因测序和宏基因组学结合生物信息学方法揭示抗生素选择压力下活性污泥细菌耐药性、微生物群落以及ARGs赋存特征的变化;进一步分析了当抗生素停止投加时,选择压力引起的耐药风险是否会持续。为评估抗生素对生态环境的风险提供参考价值,以及为合理使用抗生素提供理论支持。主要研究结果如下:(1)在实验室反应器中添加三种不同浓度梯度的KAN(0.5、5、50 mg/L)和AMP(1.5、15、150 mg/L),基于纯培养方法分析KAN和AMP对细菌耐药率的影响,结果表明在KAN 5 mg/L时对TET耐药细菌的富集效应最高(20.1倍),在AMP 150 mg/L对SMZ耐药菌富集效应最大(达到4.7倍)。而当抗生素撤去16天时,发现在AMP 15 mg/L组撤去对TET耐药菌富集效应最大(7.2倍)。而相比其他4种抗生素耐药菌,KAN 50 mg/L组对KAN耐药菌富集效应最高(达到2.0倍)。三种浓度AMP处理组撤去抗生素均观察到对耐SMZ细菌的富集现象,特别是在AMP 150 mg/L组富集效应最强(2.6倍)。表明活性污泥系统中抗生素类型和浓度的差异会产生不同的抗生素耐药菌富集效应。(2)采用16S r RNA高通量测序结合生物信息学解析抗生素选择压力对微生物群落的影响。结果表明高浓度KAN和AMP抗生素选择能够显著降低活性污泥微生物群落多样性,尤其在AMP 150 mg/L时降低幅度最大(45.2%)。在所有活性污泥样本门水平上,变形菌门和拟杆菌门相对丰度占比超过50%。相比于对照,16天的KAN 50 mg/L处理下变形菌门丰度降低了0.2倍,拟杆菌门增加了1.3倍,而AMP 150 mg/L处理下变形菌门丰度则提高了0.3倍。在属水平上,KAN 50 mg/L处理下囊裸藻属相对丰度最显著增加了8.5倍;但AMP 150mg/L处理下假单胞菌属相对丰度仅提高了1.8倍。即使抗生素撤去16天后,KAN 50 mg/L组囊裸藻属的相对丰度仍增加了5.0倍。而AMP 150 mg/L组对假单胞菌属的相对丰度仍增加了4.8倍。表明高浓度的KAN和AMP在撤去后对囊裸藻属和假单胞菌属有持续性富集效应。(3)宏基因组学结合生物信息学分析表明长期(16天)的KAN和AMP高浓度暴露导致活性污泥系统中ARGs富集效应最高。相比对照,KAN 50 mg/L处理下显著富集氨基糖苷类ARGs(达到5.6倍);AMP 150 mg/L处理下磺胺类ARGs富集倍数达到1.4倍。另外,添加KAN和AMP抗生素均提高了活性污泥中ARGs多样性及丰度。在抗生素撤去后,KAN 50 mg/L处理组中氨基糖苷类ARGs和sul1分别富集了13.8倍和4.0倍。而AMP 150 mg/L撤去对氨基糖苷类ARGs和sul1未见明显富集。表明高浓度的KAN(50 mg/L)和AMP(150 mg/L)选择下显著富集了氨基糖苷类和磺胺类ARGs,并且当KAN撤去后能够维持富集效应。
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