城市污水厂抗生素抗性基因及携抗性病原菌的多样性、传播与关联性机制

The serious hazard to human health and ecosystem caused by antibiotic resistance genes (ARGs) and potential pathogens carrying ARGs has recently solicited substantial attention. Nonetheless, it remains unclear about the mechanisms of their transmission and association. Urban wastewater treatment system (WWTS) is an important pollutant source and sink of ARGs and pathogens. Also, multi-drug resistant bacteria and the antibiotic resistance of pathogens may get promoted during wastewater treatment processes. Thus, in this project, high-throughput sequencing (targeting on both metagenomes and ARGs of the microbial communities), high-throughput quantitative PCR and bioinformatics will be used to carry out long time-series studies on ARGs and potential human pathogenic bacteria carrying ARGs in these systems, to determine the abundances and temporal distribution patterns of ARGs, and clarify the mechanisms shaping the structures of ARGs; clarify the diversity and dynamics of potential pathogens and their ARGs, and the factors shaping their structures; unveil the possible interactions between ARGs and pathogens; and evaluate the relationship between the infection rates of diseases and the diversity of related pathogens and their ARGs. Collectively, this study will deeply advance our knowledge about the mechanisms of the transmission and association of ARGs and pathogens. This will also pave the road to predict and control the risks caused by ARGs and pathogens.

抗生素抗性基因和携抗性病原菌造成的生态与人体健康风险日益凸显，但目前对它们的传播及关联性机制等认识严重不足。城市污水处理系统是抗生素抗性基因和病原菌的重要汇与源，是促生微生物多抗性和加剧病原菌抗性的重要场所。故本课题拟以之为对象，采用高通量测序（宏基因组和扩增子测序）和高通量荧光定量PCR等技术，结合生物信息学分析，对不同工艺城市污水处理厂开展长时间序列研究。重点研究抗生素抗性基因的时间动态分布特征及相关因素的协同影响作用；分析污水处理系统中抗性基因及携抗性病原菌的多样性、动态变化及其主要影响因素；认识病原菌和抗生素抗性基因的相互作用关系；评估病原菌及其抗生素抗性基因多样性与相关疾病感染间的关联性关系。从而，扩充和深化对抗生素抗性基因及携抗性病原菌的多样性、传播和关联性机制的认识，以加强对病原菌和抗生素抗性基因风险的预测预报能力，为抗生素抗性基因和病原菌的有效控制奠定基础。

抗生素抗性基因（ARGs）和携抗性病原菌造成的生态与人体健康风险日益凸显，但目前对它们的传播及关联性机制等认识严重不足。本课题以城市污水处理厂为对象，运用高通量测序技术、高通量基因芯片技术和高通量荧光定量PCR等技术，开展了长时间序列研究，揭示了其中的抗生素抗性基因丰度、多样性、动态变化及其相关因素的协同影响作用，发现进水中ARGs和MGEs的丰度没有明显的季节差异，而活性污泥中ARGs和MGEs的丰度在春季达到峰值，磺胺类、多药类、氨基糖苷类抗性基因具有持久性，且可动遗传元件（MGEs）对ARGs分布影响较大；揭示了污水厂中微生物群落组成、多样性、动态变化及功能特征，并分析了病原微生物。发现群落组成在冬季和春季无显著差别，而其他季节之间存在显著的季节性差异，其中人类病原菌在冬季的相对丰度最高，应重点关注；揭示了抗生素抗性基因与毒力因子的相互作用关系，发现膜生物反应器（MBR）和氧化沟（OD）工程系统中，短期采样周期中，OD中ARGs和毒力因子（VGs）的多样性均显著高于MBR，且两类基因易形成直接的相互作用，而长期采样期间，ARG和VG两大类基因间的直接联系急剧减少。首次提出临床intI1可作为指征污水处理系统中ARGs的丰度水平和去除效能的优选参数。课题利用模式生物大型溞及基因工程大肠杆菌，探究了环境中抗生素抗性菌被摄食和消化的过程及其机制，发现大型溞对抗性菌的摄食与消化可以减少环境中的抗性菌，其肠道内具有的活性DNA 酶是降解抗生素抗性基因的主要动力；此外，本课题研究还发现热水解对于ARGs有着良好的去除作用（>94%），且高温和水力停留时间较长的系统对ARGs的去除更有效。以此，扩充和深化了对抗生素抗性基因、微生物群落与病原菌的多样性、传播和关联性机制的认识，为提高对抗生素抗性基因风险的预测预报能力及有效控制奠定了基础。