不同形态典型抗生素抗性基因在MBR系统的消长特性、转化机制及削减效能

Antibiotic resistance genes (ARGs), as an emerging contaminant, have received a considerable attention owing to their potential risk in reclaimed water. Membrane bioreactor (MBR) technology has potential for removal of antibiotic resistance bacteria (ARB) and ARGs from wastewater. However, the fate and transformation of ARGs in various forms (i.e., extracellular and intracellular forms) in MBR systems has not been explored. In this project, the dynamic transformation mechanism of ARGs in various forms in activated sludge will be explored, paying special attention to verify whether extracellular DNA (eDNA) acts as a storage pool of ARGs in activated sludge. Also, the MBR performance for removal of typical ARGs with various forms will be investigated, and the relations between the ARGs removal capacity and the membrane fouling will be elucidated. By combining metagenomics sequencing with network and gene cluster analysis, a comprehensive and deep investigation of the distribution, mobility and origin of extracellular ARGs in various forms in MBR treatment systems will be conducted. The results of this project could provide deep insights into the fate and transformation mechanism of ARGs in various forms, and favor the establishment of more sophisticated controlling strategies for removal of ARGs from wastewater.

抗生素抗性基因（ARGs）作为一种新兴污染物是污水回用深度处理的重要评估对象。膜生物反应器（MBR）是去除污水抗性菌和ARGs最具潜力的技术之一，但目前仍缺乏该系统不同形态ARGs（胞内ARGs和胞外ARGs）消长特性和转化机制的研究。本项目围绕MBR活性污泥系统，重点研究不同形态ARGs的空间与时间动态转化规律，通过识别胞外DNA（eDNA）在污泥污水体系ARGs动态变化中的贡献，验证活性污泥eDNA是否为ARGs储存库；考察MBR系统对不同形态典型ARGs的削减效能，建立膜对其截留去除能力及与膜污染的关联性；最后采用宏基因组测序技术揭示MBR污水处理系统中胞外eDNA分布消长特征，结合网络分析和基因簇分析全面评估eDNA的来源和可移动性。研究成果对于揭示不同形态ARGs消长特性及转化机制具有重要理论意义，为建立污水处理系统ARGs污染高效控制策略和削减措施提供重要理论依据和技术支撑。

抗生素抗性基因（ARGs）作为一种新兴环境污染物普遍存在于污水处理系统。膜生物反应器（MBR）是去除污水中ARGs最具潜力的技术之一，但目前尚缺乏该系统中不同形态ARGs（胞内ARGs和胞外ARGs）消长特性与转变机制的研究。本课题以MBR系统的活性污泥和污水为研究对象，建立一套活性污泥体系不同形态ARGs的检测方法，重点研究不同形态ARGs的时空动态转化规律及其关键影响；考察了不同环境条件下胞外DNA（eDNA）的吸附与解吸附行为，揭示 eDNA 在活性污泥中 ARGs 转归中的关键作用机制；最后采用宏基因组测序技术揭示低基质条件下活性污泥中不同形态ARGs 的消长规律。.研究结果表明，离子交换树脂提取法适用于提取污泥eDNA。五个实际污水处理厂（均包含MBR工艺）活性污泥中活性污泥胞外ARGs（aeARGs）总体相对丰度为9.76×10-5~3.84×10-4；其中，磺胺类ARGs相对丰度最高（平均值为4.81×10-5）。污泥中aeARGs和胞内ARGs（iARGs）的分布主要与化学需氧量、NH4+、PO43-、金属、混合液挥发性悬浮固体浓度和胞外聚合物呈正相关关系。基质匮乏（饥饿）降低了aeARGs的丰度和多样性，且能通过削减胞外可移动元件降低aeARGs的可移动性。经过不同营养基质、电子受体和温度饥饿后，aeARGs丰度发生不同程度下降，但aeARGs微生物寄主组成未发生明显变化。经完全饥饿后，aeARGs和iARGs的丰度均出现不同幅度下降，但iARGs较aeARGs具有更强的稳定性。在饥饿期内，aeARGs和iARGs寄主较为稳定，均主要来自Mycobacterium和Nitrospira。饥饿、好氧和30℃更易导致活性污泥细胞裂解；完全饥饿增加污泥吸附和污水降解DNA/ARGs的效果；而厌氧饥饿明显降低污水降解DNA/ARGs效果。.研究成果对于全面认识MBR系统中不同形态ARGs分布特征与转化机制、揭示典型胁迫因子“饥饿”对不同形态ARGs消长动态、可移动性和微生物寄主的影响具有重要意义，为污水处理系统ARGs污染高效控制策略提供了理论依据和技术指导。