典型重金属污染水环境抗生素耐药基因的时空分布及水平转移扩散分子机制

The Xiang River located in Hunan was selected as the target studying area. The spatial and temporal distribution of the antibiotic resistance genes (ARGs) in water and sediment and ARGs distribution in antibiotics resistant bacterial colony were both investigated in heavy metal polluted water environment. After the correlation analysis between abundance of ARGs and total amounts (different forms) of heavy metals, water quality parameters, the key water quality parameter and total amounts (different forms) of heavy metals which influenced on the distribution of ARGs in typical polluted area were screened out. Based on the above field investigation, the laboratory simulation was conducted. To construct experimental model on horizontal conjugation transfer and natural transformation mediated by plasmid. The influence and mechanism of heavy metals and water quality parameter on the horizontal conjugation and natural transformation of ARGs were mainly focused. This study helps to elucidate the mechanism of ARGs horizontal transfer influenced by heavy metals and water quality parameter in the heavy metal polluted water environment, and to provide the reference on evaluation and control of ARGs pollution of regional polluted environment.

本研究拟选取湖南湘江作为典型重金属污染代表性区域，研究耐药基因在我国典型重金属污染水环境（表层水和沉积物中）时空分布以及在耐药微生物菌群中的多态性分布，通过区域性水质因子（水温、pH值、溶解氧、浊度、色度、氮、磷以及细菌总数）和重金属种类及形态与抗生素耐药基因分布之间的相关关系分析，识别影响抗生素耐药基因在典型污染水环境分布的关键水质因子以及重金属种类和形态。在上述野外调查研究的基础上开展实验室模拟研究，实验室构建以质粒介导的耐药基因水平结合转移和自然转化模型，围绕关键水质因子和典型重金属影响携带耐药基因的耐药质粒接合转移和转化的影响及机制，从分子层面上阐明水质因子和重金属影响下耐药基因在区域性污染水环境水平转移扩散的分子机理，为准确评估和有效控制区域性水环境耐药基因污染提供理论依据。

本研究选取湖南湘江作为典型重金属污染代表性区域，研究抗性基因在典型重金属污染水环境时空分布以及在耐药微生物菌群中的多态性分布，结果发现在湘江流域上游，抗性基因的分布主要受污水处理厂排放源的影响，抗性基因从排放源的衰减符合一级动力学模型，而在下游抗性基因分布不遵循一级反应动力学模型，抗性基因分布明显受重金属采矿区的影响，结合Pearson相关分析发现重金属与很多抗性基因亚型的浓度之间呈正相关，这表明重金属影响湘江流域特别是下游抗性基因的空间分布，是造成湘江流域抗性基因区域性分异的主控因子。通过区域性水质因子（水温、pH值、溶解氧、氮、磷以及细菌总数）和重金属种类及形态与抗性基因分布之间的相关关系分析，发现其他水质因子以及重金属形态对抗性基因的分布不构成显著影响。在上述野外调查研究的基础上开展实验室模拟研究，通过构建的荧光标记质粒为载体的水中抗性基因结合转移和转化模型，研究发现了湘江流域中重金属可通过促进质粒P1介导的水平传播从而促进抗性基因的传播。同时发现，重金属抗性基因与抗生素抗性基因共存于同一质粒P1，两者通过连锁传递发生增殖。16S高通量测序研究流域沉积物中微生物群落结构，结合Mantel分析结果，发现重金属也可以通过影响微生物群落结构影响湘江流域抗性基因的分布。该研究阐明了湘江流域抗性基因的空间分布与传播扩散机理，为准确评估和有效控制区域性水环境抗性基因污染提供理论依据。