【摘 要】
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抗生素压力解除后,生物电化学系统的强化作用可能导致人工湿地成为抗性基因的蓄积库,严重威胁水生态安全。因此,我们搭建了生物电化学强化型人工湿地(Microbial electrochemical constructed wetland,MES-CW),探明了抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)在不同抗生素选择性压力下的多介质赋存特征;辨识了MES-CW中
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抗生素压力解除后,生物电化学系统的强化作用可能导致人工湿地成为抗性基因的蓄积库,严重威胁水生态安全。因此,我们搭建了生物电化学强化型人工湿地(Microbial electrochemical constructed wetland,MES-CW),探明了抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)在不同抗生素选择性压力下的多介质赋存特征;辨识了MES-CW中抗性基因转移的关键驱动因子,揭示了抗生素压力解除后系统中抗性基因的转移机制,为生物电化学强化人工湿地更安全的净化含抗生素污水提供重要的支撑作用。主要结论如下:首先,我们发现生物电化学技术提高了人工湿地对氮磷和磺胺甲恶唑(Sulfamethoxazole,SMX)的去除效果。相比CW,MES-CW在不同浓度SMX下对氨氮、硝态氮、磷酸盐和SMX的去除率分别提升了0.1﹣26.98%、22.23﹣53.24%、2.24﹣28.89%、8.34﹣11.30%。SMX压力解除后,电化学技术提高了人工湿地系统中ARGs的总丰度,出现了负后效应,且随着SMX浓度的降低,MES-CW水样中ARGs的总丰度一直高于基质。在水样中,随着SMX浓度的降低耐多药抗性基因和磺胺类抗性基是人工湿地中主要类型的ARGs。当SMX压力解除后相比0.1 mg/L,MES-CW中ARGs的总丰度上升36.1%;耐多药抗性基因及其亚型的相对丰度上升69.2-292.5%,磺胺类ARGs及其亚型的相对丰度上升83.5-116.3%,电化学加剧了水样中ARGs的负后效应(ARGs的总丰度相比CW上升了95.42%,磺胺类ARGs及sul1的相对丰度上升126.3-148.7%)。在基质中,随着SMX浓度的降低,MES-CW基质中ARGs的总丰度呈下降趋势。当SMX压力解除后相比0.1mg/L,MES-CW中ARGs总丰度上升了33.62%,其中磺胺类ARGs的相对丰度升了41.6%,sul1、sul2和sul4的相对丰度上升了100-126%;耐多药抗性基因及其亚型的相对丰度上升106.7-195.2%,基质同样出现了负后效应现象,但程度小于水样。不同SMX压力下,驱动人工湿地系统中抗性基因赋存特征的关键因子发生了明显变化。高浓度SMX下,SMX的选择压力和厚壁菌门的丰度是影响ARGs转移的关键驱动因子;低浓度SMX下,硝态氮浓度和变形菌门的丰度是影响ARGs转移的关键驱动因子。采用电压调控(电压由0.6V升高到10V)削减SMX压力解除后出现的负后效应,发现高电压削减水样中ARGs的总丰度达到80.7%,同时高电压显著降低了优势ARGs耐多药和磺胺类ARGs的相对丰度。当SMX压力解除后,电化学技术主要通过促进耐药菌增殖增加ARGs的总丰度。从ARGs的关键宿主菌来看,当SMX压力解除后,水样中ARGs的宿主(解鸟氨酸克雷伯氏菌)相比0.1 mg/L时上升了300%;而基质中主要是因为宿主种类的增多,相比10和0.1 mg/L增加了4和3种宿主。而且,我们发现,SMX压力解除后,水样中整合酶和重组酶、基质中整合酶的相对丰度提高了2–9%,但ARGs与可移动原件(Mobile genetic element,MGEs)的结合比例的在SMX压力解除后显著降低,这表明SMX压力解除后,耐药菌的增值是负效应出现的主要原因。另外,基质生物膜中ROS的含量与ARGs的变化有一定的同步性,低浓度的ROS可以在信号转导中发挥作用,刺激新陈代谢,从而增加微生物的活性和丰富度。
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