不同耐药性废水对电过滤处理过程中基因水平转移的影响

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点击次数:49 更新时间:2023年09月05日13:28:19 打印此页 关闭

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第一作者:张聪 (1019214036@tju.edu.cn)

通讯作者:赵欣 (xinzhao@tju.edu.cn)

                王灿 (wangcan@tju.edu.cn)

通讯单位:天津大学

DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145669

期刊名称:Chemical Engineering Journal

        文章亮点

1、电过滤处理后的不同废水水质差异显著。

2、与其他废水相比,地表水中抗性基因更有可能编码在染色体中。

3、电过滤处理降低不同废水中细菌的丰富度和多样性。

4、电过滤处理后,地表水中的敏感菌比畜禽养殖废水和医院废水更易存活。

5、畜禽养殖废水经电过滤处理后,水平基因转移风险高于其他废水。

       基本内容

不同废水是抗性基因(ARGs)出现和传播的重要储存库。目前,不同废水的水质特性、微生物群落结构和水平基因转移(HGT)风险还没有系统的研究。因此,本研究以四种废水为对象,比较了电过滤处理后抗生素的去除效果,宿主菌、ARGs和移动基因元件(MGEs)的相对丰度,微生物群落,HGT风险。宏基因组测序分析表明,EFTR处理后,除多重抗性基因外,不同废水中ARGs的相对丰度降低,MGEs的相对丰度升高。与其他废水相比,地表水(SW)中ARGs和MGEs相对丰度的变化率极高,说明ARGs更可能编码在染色体中。同时,不同废水中细菌群落结构和宿主菌相对丰度存在显著差异。另外,EFTR会不同程度的触发氧化应激和DNA损伤反应(SOS)的相关功能基因,影响ARGs传播。与其他废水相比,畜禽养殖废水(LW)中位于质粒上的ARGs比例最高,去除率最低,增加了HGT风险。该研究为废水处理和ARGs传播的控制奠定了基础。


        图文摘要

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       图文总结

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图1 EFTR处理不同废水的(a) COD和(b) TOC浓度及去除率。

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图2 EFTR处理前后不同废水中抗生素的浓度。

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图3 EFTR处不同废水中ARGs的相对丰度。

EFTR处理后,LW中COD和TOC的浓度和去除率最高(图1)。原因是碱性条件下阳极表面更易生成·OH,可以更有效地氧化和矿化有机物。此外,不同废水中抗生素的浓度存在差异(图2)。经EFTR处理后,抗生素的总去除率均可达到70%以上,其中LW的去除率最高(99.11%),这可能与LW中抗生素的浓度较高有关。通过宏基因组测序分析,不同废水中ARGs以四环素耐药基因为主,这可能归因于四环素的广泛滥用(图3)。除多药耐药基因外,大多数ARGs的相对丰度经EFTR处理后均有所下降,这是因为在EFTR过程中,·OH会杀死部分ARGs的宿主菌。由于LW中有机物浓度最低,使其ARGs相对丰度下降更为明显。因此,EFTR可以被认为是一种有发展前景的处理技术,可以广泛应用于各种废水。

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图4 EFTR处理后不同废水中细菌群落组成的变化。(a) 基于属水平细菌群落Bray-Curtis差异矩阵的主坐标分析(PCoA)图。(b) α多样性的变化(Shannon指数和ACE指数)。(c)门水平上细菌群落的相对丰度(前10位)。

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图5 不同废水中典型ARGs宿主菌的相对丰度(前25位)。

未经EFTR处理的HW、SW和SE的细菌群落结构相似,而LW与它们差异较大。同时,EFTR处理后,不同废水中细菌群落的分布发生改变,细菌丰富度和多样性降低,而LW中细菌丰富度几乎没有变化,原因是LW的水质极其复杂,导致ARGs向非耐药菌转移,形成多重耐药菌(图4a和b)。另外,不同废水经EFTR处理后,细菌群落结构和优势宿主菌在门和属水平上存在显著差异,且LW中细菌多样性低于其他废水。同时,LW中宿主菌相对丰度的增加率最高,这为EFTR处理后不同废水的HGT风险提供了依据。(图4c和5)。

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图6 EFTR处理后不同废水中MGEs的变化。

(a) MGEs相对丰度的差异(前10位)和(b) MGEs的相对丰度。

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图7 (a) 电流密度对EFTR处理后不同废水中转合子浓度和HGT频率的影响。(b) 与细胞膜通透性、ROS生成和SOS响应相关的功能基因丰度的变化。

LW中废水中MGEs的相对丰度与其他废水有显著差异,尤其是IS,并且经EFTR处理后,不同废水中MGEs的相对丰度增加,而ARGs降低(图6a和b)。这表明一些ARGs可能位于染色体上。另外,由于SW废水中MGEs的相对丰度高于其他废水,使ARGs编码在染色体上的可能性提高,进一步降低了ARGs的传播风险。EFTR处理对不同废水的HGT风险均有明显的抑制作用。在相同电流密度下,LW的HGT频率和转合子浓度明显高于其他废水(图7a)。主要原因是一方面,LW中宿主菌的数量更多,另一方面,ARGs编码在MGEs上的可能性更高和MGEs的去除率更低。SW经EFTR处理后,相关功能基因水平明显高于LW(图7b)。使SW的HGT风险更低。因此,在今后的研究中,LW的水质和安全问题值得引起足够的重视。


阅读下载原文

Influence of wastewater antibiotic resistance difference on horizontal gene   transfer risk using electrochemical flow-through reaction .pdf

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