聚苯乙烯微(纳)塑料对活性污泥中抗生素抗性基因的影响及机制

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抗生素抗性基因(ARGs)与微(纳)塑料(NPs/MPs)作为环境中广泛存在的新兴污染物,已受到研究人员的广泛关注。其中,污水处理厂被视作ARGs和NPs/MPs的重要环境储存库。目前ARGs与NPs/MPs之间的关联性已成为国际环境领域的研究重点。然而NPs/MPs对ARGs影响的研究集中在海洋、河流和土壤等常见环境中,仅有部分研究人员初步探究了污水处理厂中两者的相互作用。此外,NPs/MPs的尺寸和浓度对ARGs影响的差异性鲜有研究。再者,污水处理厂中ARGs通常具有多种赋存形态,包括细胞内ARGs(iARGs)、胞外固着态ARGs(aeARGs)和游离态ARGs(feARGs),但NPs/MPs对不同形态ARGs影响的研究仍未可知。本文旨在探讨不同浓度(0.5 mg/L和50 mg/L)和尺寸(NPs/MPs)聚苯乙烯(PS)对活性污泥中不同形态ARGs及其载体—抗性细菌(ARB)的影响及机制。为实现该目的,本研究收集某污水处理厂二沉池中的活性污泥混合液,并在实验室SBR反应器中进行PS(NPs/MPs)暴露实验。采用抗生素药敏实验和实时荧光定量核酸扩增检测等技术对ARB和不同形态ARGs的浓度进行测定。NPs/MPs对ARGs和ARB影响的关键因子则通过活性氧(ROS)、活细胞比例、基因表达、水平转移以及细菌群落等进行评估。主要结论如下:(1)PS促进了活性污泥中ARB的增殖,磺胺类和四环类ARB的绝对浓度最高升至初始水平的1.77和1.57倍。50 mg/L的PS对于ARB的促进作用明显强于0.5 mg/L的PS。磺胺类ARB在微米级PS作用下增长幅度更大,四环类则对纳米级PS更为敏感。(2)PS暴露下,iARGs、aeARGs和feARGs绝对丰度分别增加-0.98~3117.79、-0.83~30.26和-0.97~5.23倍。与空白组相比,iARGs在整个培养过程中基本呈上升趋势,feARGs则以下降趋势为主。0.05mg/L和50 mg/L的纳米级PS分别促进了iARGs和aeARGs的增殖,50 mg/L的微米级PS则对feARGs起到了较强的抑制作用。(3)50 mg/L的纳米级PS作用下,ROS产生量上升至初始水平的1.16倍,同时活细胞比例降低至初始水平的16%;泵出蛋白基因(acr A)的表达程度在PS作用下降2%~85%;代表水平基因转移频率的一类整合子(int1)的绝对丰度在50 mg/L的毫米级PS暴露下增加107.09倍,其中,吸附态int1的涨幅最为明显(107.09);纳米级PS作用下细菌种群数为186~193,发生了明显增加,其中变形杆菌和拟杆菌占主要地位。(4)相关性分析表明,ROS的过量产生促进了ARB的增殖,活细胞比例的降低抑制了ARB的生长。int1基因的丰度与ARGs显著相关。其中,细胞内和吸附态int1的增殖显著促进了iARGs和aeARGs的传播,feARGs的绝对丰度则随着游离态int1的增加而不断下降。变形杆菌和拟杆菌可能是ARGs在环境中传播的主要宿主。
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