厌氧处理对微生物群落及抗生素耐药基因的影响| 微生物专题

发表时间：2022年02月15日

发表期刊：Journal of Hazardous Materials（IF 10.588）

方法：16S，qPCR

背景

抗生素耐药基因(ARGs)的污染是目前最具威胁性的环境问题之一，对人类和动物的健康构成了全球生态风险。在抗生素生产时产生的废水中经常残留大量的抗生素等导致耐药基因升高的因素。虽然目前厌氧是处理抗生素生产废水的首选方法，但无法从根源解决问题，并且会增加对周围水域污染的风险。

目前已知抗生素是导致废水处理中ARGs产生的关键因素，也有研究表明，ARGs是由微生物携带的，为了弥补废水流入和流出时的微生物菌群及耐药基因的变化，本文作者进行不同时间段和不同污水及淤泥中菌群及抗生素和耐药基因的相关研究，以明确微生物组成与耐药基因间的联系。

试验设计

为研究抗生素耐药基因（ARGs）和可移动基因元件(MGEs)与环境中污水、污泥及微生物群间的关系，设置两个厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器：E1作为处理组（加入土霉素OTC）、E2对照组，分别收集进入反应器的水，一段时间后反应器的污泥及流出的污水，提取DNA用于后续的16S测序，并利用qPCR方法对多个耐药基因进行定量。

样本信息如下：

1.  进入反应器的水样分别命名为In-0、In-50、In-100、In-200；

2. 第132、177、222、280天收集的污泥和流出的污水分别命名为O1、O2、O3和O4、EF-0、EF-50、EF-100、EF-200；

3. 从E2反应器（对照）中收集的第132和280天的污泥分别命名为C1和C2，第132、211和280天分别命名为EF2-0、EF2-1、EF2-2。

Tips：试验设计时，应尽量保证有相应的对照组，比较分析才能更好的说明问题；保证生物学重复可以尽量消除实验误差，也可以在分析时，有更多的的选择。

主要结果

1 不同阶段中ARGs和MGEs丰度的差异情况

图1 进入不同反应器中的污水的ARGs和MGEs的绝对定量和相对丰度结果：

A：污水中ARGs的绝对丰度，B：污水中ARGs的相对丰度，C：污水中MGEs的绝对丰度，D：污水中MGEs的相对丰度。

MGEs的相对丰度随着OTC浓度而增加，该现象在高浓度阶段更明显。与进入反应器的污水相比，流出的污水中ARGs和MGEs的丰度及类型均发生了变化。作者推测可能与污泥中的微生物群落等有关，因此，需要进一步研究厌氧污泥中ARGs和MGEs的分布以及细菌群落。

图2 污水例如一段时间后的淤泥及流出反应器的污水中ARGs和MGEs的绝对定量和相对丰度结果：

A：污水中ARGs的绝对丰度，B：污水中ARGs的相对丰度，C：污水中MGEs的绝对丰度，D：污水中MGEs的相对丰度。

OTC的浓度对ARGs的增长具有显著促进作用，并且相较于对照组，添加了OTC的E1组中存在特有的两个抗生素，这进一步验证了OTC对抗性基因的促进作用。

图3 不同处理器中进入和流出的水样及厌氧处理的污泥样品中ARGs和MGEs的相对丰度热图。

虽然厌氧处理是目前较为广泛的处理方法，但结果表明厌氧消化过程不能有效地去除ARGs，甚至增加了流出污水中的丰度，推测厌氧环境对ARGs的增长有正向作用。

2 微生物群落对抗性基因的影响

Alpha多样性指数表明厌氧处理后微生物多样性增加，尤其是E1系统，而且OTC可以增加微生物多样性，微生物群落的数量越丰富，ARGs的增长和传播更广泛。PCA结果显示流出的水样中的微生物群落与厌氧污泥中的微生物群落的关系更为密切。

图4 菌群的PCA分析结果

图5 A: 两个反应器中门层级物种柱状堆叠图，B流入及流出水和污泥样品中的菌群热图

不同反应器中物种的比较分析发现，OTC的加入显著影响了样本中群落的变化。

图6 不同类型样本中ARFs与菌群的共线性网络图，A：流入反应器的水样，B：污泥，C：流出的水样。

共线性网络图的结果进一步证明ARGs的与OTC有关。

小结

在淤泥的厌氧环境中，ARGs相对丰度有显著增加，说明厌氧处理并不能有效降低ARGs，OTC抑制下导致抗生素耐药菌(ARB)的增加，进而增加了ARGs的风险；通过相关性网络分析，进一步证实了进水、污水和污泥中宿主之间的差异和相关性。

本文的研究成果增强了对厌氧环境中含有OTC水样中ARGs丰度波动的认识。

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