城市生活垃圾填埋场地下水抗生素抗性基因的污染特征及扩散机制研究

Antibiotic resistance genes (ARGs) have become one of the topics of great importance in scientific researches, which have caused serious environmental issues. Municipal solid waste (MSW) landfill is an important reservoir and bioreactor of ARGs. It has been suggested that ARGs in landfill can spread to the groundwater through leakage of landfill leachate. Groundwater as an important source of drinking water, is difficult to mitigate the potential risks once polluted. The contaminated groundwater with antibiotic resistant bacteria can pose risks to human health through drinking water and irrigation-food chain. However, the information regarding the profile of ARGs in groundwater near the municipal solid waste landfill remains unclear. In this proposal, by using high throughput quantitative PCR, Illumina Hiseq sequencing, and clone library sequencing, we aim to, (1) examine the abundance and diversity of ARGs and integrons gene cassettes in groundwater, leachate and river water near the MSW landfill; (2) characterize composition and diversity of the bacterial community; (3) explore the prevalence, distribution and dissemination of ARGs in different seasons and locations. Furthermore, by correlation analysis between abundance and diversity of ARGs, microbial communities, MGEs, environmental factors and the geographical relationship of groundwater and river water, we will characterize and elucidate the contamination and dissemination of ARGs and provide a scientific basis for comprehensive evaluation and optimal management of MSW landfill.

抗生素抗性基因（ARGs）所导致的环境污染形势日趋严峻，并已成为国际上的研究热点。城市生活垃圾填埋场是环境ARGs的重要存储库和反应器，并可能通过渗滤液污染地下水。地下水是重要的饮用水源地，一旦污染就很难治理。具有抗生素抗性微生物的地下水，通过饮用水和农田灌溉对人类健康有潜在危害。城市生活垃圾填埋场地下水抗生素抗性基因污染特征及扩散机制尚不明确。本项目选取填埋场地下水、渗滤液和附近河水为研究对象，采用高通量定量PCR探讨ARGs丰度和分布，采用Illumina Hiseq测序方法揭示微生物群落结构，采用克隆文库测序研究整合子基因盒抗性基因多样性。从ARGs丰度、微生物群落结构、基因水平转移机制、环境因子及地下水与河水的自然地理关系等方面，进行统计分析，全面系统地阐释城市生活垃圾填埋场地下水ARGs的污染特征及扩散机制，以期为评估城市生活垃圾填埋场ARGs污染风险和优化运营水平提供科学依据。

随着我国城镇化不断推进，城市生活垃圾总量急剧增长。垃圾填埋是城市生活垃圾的主要处置方式。然而垃圾填埋场堆体及渗漏含有丰富的抗生素抗性基因和微生物。城市生活垃圾填埋场的地下水可能受到了垃圾渗滤液的污染。因此针对城市生活垃圾填埋场地下水环境开展抗生素抗性基因的相关研究显得十分必要。本项目针对城市生活垃圾填埋场地下水、渗滤液和相关环境样品开展了相关研究。建立了一种水环境中病原微生物（耐药微生物）高效富集方法和收集装置，能够大大地提高目标微生物生物量。针对正在使用的城市生活垃圾填埋场，探究了渗滤液处理过程抗生素抗性的动态特征及其对周边河流环境抗性基因的污染扩散情况，结果表明，渗滤液处理使得抗生素抗性基因丰度降低了5个数量级，能有效消减渗滤液中的抗生素抗性基因，是一种有效消减ARGs的方法；在出水和河流下游样品中均检出了7种抗性基因，而在上游河流中未检出，其中包括编码对万古霉素（vanXD和vanSB）和碳青霉烯（cphA和blaGES）抗性的基因，这暗示了垃圾填埋场渗滤液出水排放对其接收河流的影响。进一步地，针对已封场填埋场渗滤液抗生素抗性基因在地下水污染特征和扩散迁移机制，研究发现微生物群落结构、重金属元素和MGEs能够解释抗生素抗性基因变化的57%，并且微生物群落是抗生素抗性组变化的最主要驱动力，其单独解释量18%。此外，通过FEAST分析方法，明确了渗滤液是填埋场地下水的潜在污染源。最后，通过对垃圾填埋场周围土壤环境、河口环境的采样研究，综合解析了抗生素耐药基因的分布特征和影响因子（重金属、营养元素）。