【摘 要】
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近年来抗生素的过度使用导致水环境中抗生素抗性细菌(Antibiotic resistant bacteria,ARB)和抗性基因(Antibiotics resistance gene,ARG)污染,严重威胁饮用水水质安全。现行的饮用水处理工艺通常采用投加消毒剂来抑制微生物的再生长,但在输配水管网系统中ARBs和ARGs的丰度远高于出厂水,其中普遍存在的管壁生物膜及消毒剂压力极有可能引发ARBs和
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近年来抗生素的过度使用导致水环境中抗生素抗性细菌(Antibiotic resistant bacteria,ARB)和抗性基因(Antibiotics resistance gene,ARG)污染,严重威胁饮用水水质安全。现行的饮用水处理工艺通常采用投加消毒剂来抑制微生物的再生长,但在输配水管网系统中ARBs和ARGs的丰度远高于出厂水,其中普遍存在的管壁生物膜及消毒剂压力极有可能引发ARBs和ARGs的繁殖和扩散,但目前人们对这一过程的认知尚不清晰。因此,本文以饮用水中的ARBs和ARGs为研究对象,通过构建给水管网系统模拟实验装置,研究不同消毒剂条件下ARBs和饮用水中细菌在水相和管壁生物膜相的分布特征,尝试构建ARBs增殖与细菌聚集行为之间的关联;借助于接合转移实验,探究饮用水中ARGs水平转移发生的规律和作用机制,以期为控制给水管网中ARBs和ARGs的增殖和水平转移进而保障供水水质安全提供理论指导。首先,本文研究了消毒剂浓度和类型对给水管网系统中ARBs时空变化特征的影响。结果表明,氯和氯胺的投加(0.5-2.0 mg/L)显著降低了水相和生物膜相中ARBs的丰度;随着消毒剂浓度的增大(0-2.0 mg/L),ARBs更倾向于附着生长,且生物膜相中ARBs的占比也在不断上升,尤以磺胺甲恶唑抗性菌最为显著(从0.64%上升至1.79%);相较于氯,在后期(6 d)氯胺(2.0 mg/L)对ARBs的抑制作用更为显著,且持续性投加氯胺导致生物膜相中ARBs的占比上升,特别对于磺胺甲恶唑抗性菌(其占比上升至17.31%),这说明增大消毒剂压力水平(0.5-2.0 mg/L)可诱发生物膜相中抗生素抗性的增强。其次,为构建给水管网系统中ARBs与细菌聚集行为的内在关联,分析了不同消毒剂条件下给水管网系统中细菌的时空变化特征。结果表明,与ARBs的变化趋势相类似,氯和氯胺的投加(0.5-2.0 mg/L)对水相和生物膜相中细菌的生长繁殖均产生抑制作用;但随着消毒剂浓度的提高,细菌更倾向于附着生长,维持稳定的氯胺浓度使得这一现象更为显著;生物膜中细菌和抗性细菌丰度的相关关系(r=0.83~0.95,P<0.01)说明消毒剂胁迫细菌附着生长和聚集进而可能影响ARBs的增殖和ARGs的迁移和分布。种群分析显示主体水和生物膜中的种群结果存在显著差异,消毒剂作用下生物膜中的优势菌属为伯克霍尔德氏菌(Burkholderia),其可能有助于生物膜相中抗生素抗性的增强。最后,为进一步探究ARGs水平转移发生的规律和作用机制,本文选用纯种大肠杆菌K12(E.coli K12)作为供体菌,给水管网中的细菌作为受体菌,通过构建接合转移实验装置系统,研究了不同消毒剂、受体菌的不同存在形式对饮用水中ARGs水平转移的影响。结果表明,亚抑制水平的消毒剂浓度(0.2~1.0 mg/L)能够促进饮用水中ARGs的水平转移频率(2.01×10-5-2.09×10-4),而过高浓度的消毒剂(≥4.0 mg/L)则对ARGs水平转移的发生产生抑制作用,持续投加并维持氯胺浓度的稳定性则进一步增大了ARGs的水平转移频率(7.34×10-5-1.08×10-3);相较于主体水中细菌,生物膜中细菌具有更高的ARGs水平转移频率,表明细菌的聚集状态有助于其间ARGs水平转移的发生。通过接种不同生长状态的受体菌的研究发现,相较于主体水中的细菌,接种生物膜相细菌有助于水体中ARGs的水平转移,表明不同生存状态下细菌的种群结构导致了ARGs接合转移频率上的差异。
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