抗生素废水处理剩余污泥中抗药基因在环境中的水平转移分子机制及调控原理研究

The worldwide spread of antibiotic resistance has become a serious threat to human health. Because of containing high quantity of antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs), fermentation residues generated during antibiotic production have been designated as hazardous waste receiving strict management. In spite of its high concentrations of antibiotics and ARGs, however, excess sludge from the facilities treating antibiotic production wastewater (APW) has not yet been regulated. Excess sludge from the APW treatment facilities is usually employed as organic fertilizer following compost. Until now, little is known about the occurrence and fate of antibiotics and ARGs in excess sludge during the above disposal process. Targeting several typical antibiotics, this study will focus on the abundances and fates of antibiotics and ARGs in excess sludge discharged from APW treatment plants during the disposal processes by employing molecular biological techniques including high through-put sequencing technologies. A methodology for assessing the ARG transfer ability of bacteria in excess sludge will be established, which will be employed to investigate the effect of different antibiotics on ARGs' horizontal transfer. Different pretreatment technologies including ozonation, anaerobic fermentation in decomposing antibiotics and ARGs will be investigated, and a strategy to control the ARG transfer ability will be established based on the combination of pretreatment technologies and optimized composting technology. This study will provide scientific methodology and technical foundation for establishing the effective technology system to control the horizontal transfer of ARGs and environmental management of antibiotic production process.

抗生素生产过程中产生的菌渣由于含有高浓度抗生素以及大量抗药菌而被指定为危险废物，纳入严格的监管体系。但是，生产废水处理过程中产生的剩余污泥也含有高浓度抗生素和抗药基因，至今为止还没有针对性的监管措施。通常，该类剩余污泥都是通过堆肥处理之后制成有机肥料施到农田。但在堆肥乃至施肥过程中，上述抗生素、抗药基因等污染物发生了什么变化，上述过程是否成为抗药基因传播的一个重要途径等，至今为止还没有相关研究。本项目以典型抗生素生产废水处理剩余污泥为对象，研究抗生素和抗药基因在堆肥过程和受纳环境中的迁移转化规律，在构建抗药基因水平转移能力评价方法体系的基础上，探讨高抗生素残留条件下剩余污泥中抗药细菌在堆肥过程和受纳环境中的水平转移能力以及相关影响因素，并构建高效去除抗生素、消减抗药基因传播能力的剩余污泥前处理-堆肥优化调控组合工艺，为控制抗药基因传播、完善针对抗生素生产过程的环境管理提供科学基础。

抗生素抗药基因作为一种新型的环境污染物，引起了国际社会的广泛关注。抗生素生产废水处理系统的剩余污泥是抗生素和抗药基因重要的“汇”，需进行有效处理。厌氧消化（Anaerobic digestion, AD）作为一种广泛采用的污泥处理工艺，对市政污泥中的抗药基因具有一定的消减效果，并且高温系统效果优于中温AD。然而至今为止，关于中、高温厌氧消化去除污泥中抗药基因的机制及高抗生素压力下厌氧消化系统中抗药基因的响应和变化机制未见系统报道。本项目系统研究了中、高温AD对于污泥中抗药基因的控制效果，取得以下主要成果：（1）首先考察了直接升温策略从稳定运行的中温AD系统启动高温AD的有效性。发现采用直接升温的方式，可以在20天左右时间内从稳定运行的中温AD系统启动高温AD系统。启动过程中微生物群落动态变化的解析结果表明，直接将消化温度升至嗜热产甲烷群落的最适生长温度（55℃），可以从一开始就促进其在消化系统中的快速增殖，从而促进高温AD的快速启动。（2）为探索中、高温AD对市政污泥中抗药基因消减效果差异的机制，联合使用定量PCR、高通量测序和宏基因组学方法同时追踪了上述启动过程中三大类共24种抗药基因、3种水平转移元件和抗药基因细菌宿主（垂直转移）的动态变化。发现高温AD污泥中具有更低的水平转移元件和抗性菌宿主丰度，表明高温AD可能同时更好地阻断了污泥中抗药基因的水平和垂直转移途径，从而保证了其更优的抗药基因消减能力。（3）为探索抗生素压力下，中、高温AD对剩余污泥中抗药基因的控制效果，考察了不同土霉素压力水平下（0，40，200，1000 mg/L）中、高温系统的运行效果及其中抗药基因的响应情况。发现高温AD具有更高的土霉素耐受能力，但是随着污泥中抗生素浓度提高，中、高温污泥中四环素抗药基因的丰度均逐渐升高，而且氨基糖苷类和大环内酯类抗药基因丰度同样随着污泥中土霉素浓度提高丰度逐渐提高，表明高抗生素压力下抗药基因共选择作用的存在。同时，3种水平转移元件（intI1、Tn916/1545和ISCR1）也随污泥中抗生素压力提高而增加，并且3种转移元件分别与其能够转移的共线性抗药基因表现出强的正相关性，表明高抗生素压力下水平转移作用在抗药基因的扩增中发挥着重要作用。上述研究为实现抗生素生产废水处理剩余污泥的处理提供了科学依据。