抗生素抗性基因在潜流带中的分布规律及迁移转化机制

As a key component of the watershed ecosystem, hyporheic zone is the critical area of the pollutant enrichment and attenuation, as well as basin self-purification. However, the migration and transformation mechanism of the emerging pollutant ARGs in hyporheic zones was poorly studied. In this study, the hyporheic zone of Maozhou river which is heavily polluted by antibiotics is chosen as the research region. Distribution and transformation mechanism of ARGs in the Maozhou hyporheic zone will be studied by the method of combining field survey and laboratory experiments. Firstly, metagenomics will be applied to reveal the spatial distribution rule of ARGs in the Maozhou hyporheic zone. Then ARG host strains will be isolated and cultured from typical sediments of the hyporheic zone. The migration and transformation mechanism of ARGs in the sediments will be studied using sand tank inoculated with the ARG host strain. Finally, the migration and transformation mechanism of ARGs in hyporheic zones will be revealed, and the role of microbial communities playing in this process will be illuminated by integrating the results of field survey and laboratory experiments.

潜流带作为流域生态系统中的关键组成部分，是流域污染物富集、降解和自净的主要地带。但是目前的研究尚不清楚环境新型污染物抗生素抗性基因在潜流带中的分布规律和迁移转化机制。本课题拟以受抗生素严重污染的茅洲河潜流带作为研究区域，通过野外调查和实验室实验相结合的方法，开展抗生素抗性基因在潜流带中的分布规律及迁移转化机制研究。首先采用宏基因组学测序技术获得抗生素抗性基因在茅洲河潜流带的空间分布规律。随后从茅洲河潜流带选取代表性沉积物，分离纯培养获得抗生素抗性基因宿主菌株。应用该菌株开展砂槽实验，研究抗生素抗性基因在沉积物中的迁移转化规律。最后综合野外实验调查与实验室机理研究结果，揭示抗生素抗性基因在潜流带中的分布规律和迁移转化机制，以及微生物宿主在该过程中对ARGs的传播机理。

潜流带作为地下水与地表水交互作用的关键带，是流域生态系统的重要组成部分，对于流域污染物降解和生态平衡具有重要意义。近年来，抗生素的过度使用导致潜流带汇聚了大量抗生素残留。但是目前尚不清楚环境新型污染物抗生素抗性基因在潜流带中的分布规律和迁移转化机制。本课题以受人类活动影响强烈的深圳市茅洲河流域为研究对象，通过野外调查与实验室机理实验相结合的方法，开展了抗生素抗性基因在潜流带中的分布规律及迁移转化机制研究。主要研究结果包括：1）抗生素抗性基因在茅洲河潜流带中呈现高度空间异质性分布，以四环素抗性基因和磺胺类抗性基因为主，在医院和养殖场等污染严重区域浓度显著增加，与抗生素空间分布规律与污染程度相一致；2）河道修复改变了河流水文条件，降低了抗生素和抗生素抗性基因在河水中的空间异质性分布，但是没有减轻抗生素污染，可能与2020年COVID-19治疗使用了大量抗生素有关，抗生素污染提高了河流中抗生素抗性基因的浓度，以及潜在微生物宿主如放线菌门和变形菌门微生物菌属的丰度；3）抗生素急性暴露实验表明，不同种类和浓度抗生素处理下底泥微生物群落抗性呈现不同的响应机制，反映了抗生素对微生物群落不同的选择压力。与ng-ug/L抗生素处理组相比，mg/L水平抗生素处理通过富集抗生素抗性菌，显著提高抗生素抗性基因丰度，此外，还抑制了氨氧化细菌Nitrosomonas的生长，降低其硝化能力。本研究结果表明抗生素污染会影响潜流带抗生素抗性基因分布规律，提高潜流带微生物群落抗性，改变微生物群落功能，对流域生态安全具有潜在风险。本研究相关结果为评价潜流带抗生素抗性污染程度提供了科学依据，同时也为研究其它污染物在潜流带中的迁移转化过程提供借鉴。