耐药基因水平转移阻遏氨氧化菌生物代谢分子机制研究

The development and spread of bacteria drug resistance and resistance gene severely threat to human health. The biological wastewater treatment system is not only an important pathway of antibiotics entering the environment, but also an important source of pollution that enrich and spread drug-resistant bacteria and resistance genes. This project will take the ammonia-oxidizing bacteria (AOB) as object of study, investigate the effects of resistance gene horizontal transfer to the bacterial membrane channels, protein express and the change of regulator gene, and elucidate the internal logic between drug resistance gene horizontal transfer and the evolution of cell growth, apparent and characteristics of AOB. By studying the enzyme active site competition on the cell membrane of AOB, as well as the effects of changes in the cell membrane permeability cauased by expression of regulation gene of membrane channel proteins and liposome membrane on the expression of metabolic enzymes, this project will resolve the resistant gene horizontal transfer effects on the inhibition of the target localization of functional gene expression as well as its impact on the gene transcription mRNA, and clarify the molecular mechanism of drug resistance gene in the inhibition of microbial metabolism in ammonia oxidation. We will establish the study mode of both microcosmic molecular and macroscopical process levels, and provide a theoretical basis for the control of drug resistance gene transfer in biological nitrification systems.

细菌耐药性扩散以及耐药基因的传播严重威胁人类健康。污水生物处理系统不仅是抗生素药物进入环境的一个重要途径，同时也是耐药细菌、耐药基因富集，并在环境中散播的一个重要污染源。本项目以氨氧化菌为研究对象，探讨耐药基因水平转移对细胞膜通道、蛋白质表达以及调控基因变化影响，阐明氨氧化菌细胞生长演变及表观特征、传质特性与耐药基因水平转移内在的逻辑关系。通过研究氨氧化菌细胞膜上酶活性位点竞争，以及膜通道蛋白、膜脂质体变化调控基因表达改变细胞膜通透性对代谢蛋白表达的影响，解析耐药基因水平转移阻遏氨氧化功能基因表达的靶点定位及对基因转录mRNA影响作用机制，阐明耐药基因阻遏氨氧化生物代谢的分子机理。实现从微观分子水平与宏观工艺水平结合研究模式，为生物硝化系统中耐药基因转移控制提供理论依据。

耐药基因污染正在给人类健康造成严重的威胁和危害，污水生物处理系统是耐药细菌、耐药基因富集，并在环境中扩散的重要环境。耐药基因作为可移动的遗传因子，其在宿主细菌中所表达的基因及细胞水平作用机制势必会对细菌生长、代谢产生直接影响。硝化反应在自然界的氮循环中起着重要作用，同时也是污水系统生物脱氮的关键反应，耐药基因对硝化反应的干扰直接影响了污水生物处理系统的处理效率。本项目以多重耐药质粒RP4为主要研究对象，系统研究了RP4质粒在不同微生物聚集体形态的污水生物处理系统中的接合转移规律、对系统污染物去除效率的影响和影响机制。结果显示，RP4质粒在不同生物污水处理系统中均有严重的扩散情况，接合转移频率可达0.0001/cell，观察到了RP4质粒与氨氧化细菌的共定位。RP4质粒在不同形态的微生物聚集体中的结合转移频率有显著差别，在小粒径污泥颗粒中的接合转移频率较高。RP4质粒进入反应器系统后，反应器的氨氮去除效率下降了20%-40%不等，并且恢复时间较长，约在15d左右。转入的RP4质粒使得污泥沉降特性恶化，可能导致AOB的比例损失较大，从而引起SBR中AOB相对丰度的下降，代谢补偿机制引起了功能基因（amoA和hao）的上调。本研究初步阐明耐药基因水平转移对氨氧化代谢阻遏机制，从环境工程角度明确了耐药基因在污水生物处理系统中的危害，为控制污水生物处理系统中的耐药基因扩散提供了理论基础，提出了控制耐药基因水平的新型污水生物硝化工艺建议。