细菌作为病原体通过肢体接触、消化道、呼吸道等途径在人或动物体间传播疾病。使用抗生素治疗细菌感染型疾病时,细菌可以通过产生或获得抗生素耐药性（AMR）而得以生存下来。近年来在医疗和农业领域,抗生素是临床上治疗细菌感染的主要抗菌药物,被广泛用于预防和治疗细菌感染,这在一定程度上缓解了细菌感染问题,但长期使用抗生素不仅会为耐药菌的生存提供选择优势,而且会促进AMR以基因水平转移（HGT）的方式传播到致病菌中,进而导致耐药致病菌甚至多重耐药致病菌的形成。多重耐药致病菌引起的感染使临床治疗困难倍增,甚至面临无药可治的困境,这对人类健康造成了严重的威胁。多重耐药细菌的产生以及AMR在微生物群落中的传播成为了近年来研究的热点,被普遍研究的微生物群落包括肠道、水环境、活性污泥和土壤微生物组等。然而空气作为人类生活中不可或缺的环境因素,对大气颗粒物（APM）上的微生物组和耐药组的研究却相对较少。近年来,随着各类呼吸系统传染病的大肆泛滥,人们对APM微生物组的关注度日益上升,探究和分析APM上微生物在AMR传播中的潜在作用是有必要且有意义的。AMR在微生物群落间传播会产生多重耐药的细菌,严格地研究和调查AMR在多种情况下的传播动力学是人类了解AMR传播的基础问题。抗生素是否、如何、以及在何种程度上影响AMR在不同微生物群落中的传播到目前为止尚不清楚。基于此,本论文使用自行设计组装的连续培养装置模拟并探究了多重耐药细菌入侵到不同类型的微生物群落时,不同浓度和不同阶段的抗生素治疗产生的AMR传播动力学的区别,并初步探究了造成这些区别的理论机制。论文的主要工作内容及结果如下:1.大气颗粒物中生物和化学成分及其在耐药性传播中潜在作用的分析。2015.12.21至2016.01.20期间在济南市山东大学的教学楼顶层采集了 114个APM样品,调查了样品的菌群结构、化学元素组成和抗生素耐药基因（ARGs）的流行情况,并分析了它们与环境参数的相关性关系,发现:（1）两种条件致病菌克雷伯氏菌（Klebsiella）和气单胞菌（Aeromonas）与PM2.5和温度呈显著正相关,表明它们可以在APM上增殖;（2）PM2.5和PM10上的化学元素不同,但微生物组结构却相似,表明尽管它们来源不同,但这不会对微生物组结构产生影响;（3）不同取样时间段菌群结构间的变化表明,人类活动会影响APM中的微生物群落组成;（4）包括镧系元素在内的稀有金属对APM中的病原菌有抑制作用;（5）除碳青霉烯类抗生素外,其余几类抗生素的ARGs和遗传元件“整合子”的整合酶基因均被普遍检出,表明APM可以作为AMR传播的潜在媒介。2.大气颗粒物中微生物组和耐药组之间存在显著的相关性。在中国南北方不同城市采集了 112个APM样品,除了分析APM的菌群结构,调查耐药性相关基因的流行情况,分析环境参数对微生物组和耐药组的影响以外,使用Procrustes和Mantel test等生物信息学分析进一步探究了 APM中微生物组和耐药组间的相关性,结果显示:（1）APM上的微生物组结构和耐药组分布均具有显著的地域性,但城市亚聚类分析结果表明微生物组和耐药组具有一致的分布趋势;（2）环境因素对APM中的微生物组和耐药组均具有显著的影响:颗粒物数量和化学污染物对它们造成的影响同温度和风力对它们产生的影响相反;（3）微生物组和耐药组之间存在显著相关性,40个微生物属的丰度与耐药组有显著相关性,其中包含39个细菌属和1个古菌属Nitrosoarchaeum;（4）微生物组和耐药组之间的相关性与细菌与部分基因之间的相关性有关,例如变形菌门（Proteobacteria）与intI1和intI3呈显著正相关;厚壁菌门（Firmicutes）与intI1,oqxA和blaVIM1呈显著负相关,拟杆菌门（Bacteroidetes）除与qnrB呈显著正相关外,与其他喹诺酮类耐药基因呈显著负相关,值得注意的是匿杆菌门（Latescibacteria）与粘菌素抗性基因mcr-1和万古霉素抗性基因vanA呈显著正相关。3.抗生素促进大肠杆菌（Escherichia coli）种内耐药性传播的动力学探究。基于大气环境中AMR的高流行性,使用四联发酵罐装置,模拟了环境中百万分之一的耐药菌入侵事件,探究了抗生素压力下AMR在E.coli种内传播的动力学,发现:（1）即使没有抗生素压力,AMR的传播依然存在;（2）在亚致死浓度的头孢他啶（CAZ）压力下,携带AMR的质粒快速传播导致菌群中整体AMR的显著增加;（3）ng/L水平的低浓度CAZ对AMR的传播没有影响。4.设计组装连续培养装置模拟和分析多重耐药细菌入侵时的耐药性传播动力学。使用自行组装的连续培养装置探究在不同四环素（TET）浓度下AMR从E.coli到病原性的沙门氏菌（Salmonellaenterica）群落的传播动力学,发现:（1）HGT和基因垂直转移（VGT）在促进AMR传播中都起着重要作用,但是影响力度在不同情况下有所不同;（2）尽管低浓度的四环素不能提供耐药菌生长的选择性优势,但可以通过增强HGT来促进AMR的传播,应得到足够的重视;（3）MDR E.coli的早期入侵完全且迅速地破坏了之后抗生素治疗的有效性;（4）发生S.enterica感染后,如果及时使用抗生素进行治疗,即使之后再发生MDRE.coli的入侵,抗生素治疗依然存在一定的有效性;（5）环境浓度的TET会促进多重耐药质粒的接合转移频率,也可以引起HGT相关基因和应激反应（SOS response）相关基因的上调。5.体外模拟和评估生命早期婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）群落中S.enterica感染和耐药性入侵时的传播动力学。双歧杆菌（Bifidobacterium）占主导地位的婴儿肠道菌群（IGM）是脆弱的,而且容易受到细菌的感染。细菌之间的AMR传播使临床上治疗婴儿细菌感染变得更加困难。使用自制搭建的体外厌氧连续培养装置模拟了不同严重程度的婴儿肠道细菌感染事件,并且分析了这些事件下的AMR传播的动力学,评估了B.infantis的作用。发现:（1）在轻度细菌感染的模拟事件中,尽管抗生素治疗后敏感的S.enterica的数量会显著下降,但敏感的S.enterica最终还是会在B.infantis菌群中稳定定殖;（2）在中度细菌感染的模拟事件中,B.infantis可通过抑制耐药细菌的VGT传播事件的发生进而有效地降低AMR的快速传播;（3）在重度细菌感染模拟事件中,没有观察到B.infantis抑制AMR传播的能力;（4）在微生物群落中,质粒的接合转移存在一定的规律,它们会优先转移到同种菌中,而转移到异种菌中的频率较低;（5）肠道环境下AMR的传播较低,这可能是由于B.infantis可以抑制耐药菌的增殖,而且肠道中胆盐的存在会显著地降低携带AMR的质粒的接合频率。综上所述:大气中含有丰富的AMR,几乎所有类型的ARGs在APM中都普遍存在;致病细菌在APM上可以增殖的现象进一步揭示了 APM这种广为接受且普遍存在的污染物可以作为一些致病菌（如Fusobacteria,Pseudomonas,Klebsiella和Aeromonas等）的传播媒介,而且人类活动会对菌群结构的变化造成显著的影响;环境参数显著影响微生物组和耐药组的结构,环境污染物和颗粒物浓度与耐药组和微生物组存在显著地正相关,而温度和风速对耐药组和微生物组的影响与环境污染物和颗粒物浓度的影响相反;APM中的微生物组和耐药组之间存在显著的相关性,这主要是由39个细菌属和1个古菌属（Nitrosoarchaeum）的丰富度引起,而且微生物组和耐药组之间的相关性可能与细菌（例如Proteobacteria,Firmicutes,Bacteroidetes 和 Latescibacteria 等）与部分基因（例如intI1,intI3,oqxA,blaVIM1,qnrB,mcr-1和vanA等）之间的显著相关性有关。基于大气环境中AMR的高流行性,进一步模拟并探究了环境中少量的携带AMR的细菌入侵到不同的群落体系时AMR的传播现象。发现即使没有抗生素压力,AMR传播事件依然发生,抗生素的存在显著地促进了 AMR的传播,但不同情况下使用抗生素治疗时HGT和VGT在促进AMR传播上的贡献各不相同;长期处于环境中低浓度的TET污染物下,质粒在细菌间的接合频率上升这促进了 AMR的传播,而且这一过程除了和SOS Response以及HGT相关途径相关还存在未知的分子机制;肠道环境中的胆盐成分会抑制质粒的接合转移进而抑制AMR的传播,B.infantis在细菌感染中抑制AMR传播的作用也可以被用于辅助治疗细菌感染中,通过合理的使用B.infantis作为辅助制剂,保证抗生素的治疗效果的同时,使AMR传播最小化进而缓解当前临床上AMR在细菌间快速传播的现状。