基于宏基因组学的抗性基因在城市污泥厌氧消化过程中的行为机制及削减方法研究

Anaerobic digestion (AD) is a promising technology for the resource utilization of sewage sludge.Researches have been also arguing for decades about the control effects of anaerobic digestion on the antibiotic resistance of sludge. This study combines meta-genomic approach, multivariate statistical analysis, background investigation and anaerobic digestion lab-scale experiments jointly, to (1) investigate the wide distribution of antibiotic resistance genes (ARG), mobile genetic elements (MGE) and antibiotic resistance bacteria (ARB) during the AD process; (2) identify the key genetic elements and possible hosts that carrying ARG based on the molecular ecological networks; (3) understand the behavior mechanism of interactions between MGE and ARB that response for the horizonal/vertical transfer ; (4) reveal how AD parameters affect the variation of ARG and how to effectively eliminate the spread of ARG from sludge; (5) propose an enhanced anaerobic digestion technology of sewage sludge for methane generation and ARG reduction under the optimal parameters.

厌氧消化技术是城市污泥资源化利用的重要途径之一，关于厌氧消化技术能否有效控制污泥中抗生素耐药性传播风险问题仍存在较大争议。本项目拟基于宏基因组学技术和多元数理统计方法，结合实地调查和多批次厌氧消化实验，全面探究污泥厌氧消化过程中抗生素抗性基因、可移动基因元件和抗生素耐药菌群的广谱分布特征；构建抗性基因与耐药群菌的分子生态网络，甄别承载抗性基因的关键基因元件和宿主菌群；解析抗性基因随着可移动基因元件和耐药菌群发生水平、垂直迁移的行为机制；明确厌氧消化技术影响抗性基因动态变化的关键机理，揭示能够有效切断抗生素耐药性传播的控制方法；通过筛选、优化关键厌氧消化运行参数，构建一套即可促进污泥厌氧消化效率，又能有效削减抗性基因耐药性传播风险的强化厌氧消化工艺流程。

对污泥中抗生素抗性基因（ARGs）赋存状态与传播机理了解的不足限制了厌氧消化技术对抗生素耐药性风险的高效控制。本项目开发了一套自定义的宏基因组学生信分析分析脚本，以探明ARGs在污泥厌氧消化过程中的赋存状态和动态变化机制。结果发现污泥中ARGs含量丰度，其中丰度最高的ARGs种类为大环类脂类、四环素类、氟喹诺酮类和肽类，他们的丰度占总ARGs丰度的80%以上。传统的中温厌氧消化工艺对ARGs的削减效果有限，且污泥中抗生素压力和纳米颗粒压力还会导致ARGs和可移动基因元件（MGEs）的富集。共现性生态网络分析结果揭示了ARGs的潜在宿主菌群，宿主菌群的种类和丰度很大程度上影响了ARGs在厌氧消化过程中的演变。本项目搭建并优化了零价铁强化的厌氧消化装置，发现低浓度的纳米零价铁降低了系统的氧化还原电位，有利于提高沼气产量和甲烷纯度。除了纳米零价铁，纳米四氧化三铁也能提高甲烷产量，两种铁纳米颗粒的添加提高了装置中古菌的丰富度和多样性，影响了微生物群落结构的演变。此外，nZVI有利于四环素类、氨基糖苷类和肽类ARGs的削减，且两种铁纳米颗粒对抗生素失活机制的ARGs具有较好的削减效果。研究结果证明了铁纳米颗粒强化的厌氧消化技术能在提高甲烷产量的同时实现ARGs的高效削减。项目揭示了ARGs在污泥厌氧消化过程中的传播机制，为在污泥厌氧消化过程中有效控制抗生素耐药性的传播提供了理论基础。