基于宏基因组学的水产养殖系统中抗生素抗性基因多样性及其对环境因子响应研究

Antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs) have aroused widespread attentions as emerging contaminants posing a potential worldwide human health risk. Intensive aquaculture industry is believed to be a major contributor to the increased environmental burden of ARGs. Despite the volume of antibiotics used in China, little information is available regarding the corresponding ARGs associated with aquaculture ecosystems. However, the knowledge about the distributions and broad characterization of ARGs through a metagenomic approach is limited in aquaculture environment. Especially the correlations of ARGs and environmental variables in complicated aquaculture ecosystems were poorly understood. The aim of this project is to investigate the distribution, abundance and diversity of ARGs in the aquaculture pond sediments based on metagenomic approach and real-time quantitative PCR. The main point will be focused on the characteristics of dynamic responses of ARGs to the variation of micro-environmental conditions using redundancy analysis/canonical correspondence analysis under co-selections of heavy metals and antibiotics. This project would instruct new theoretical directions for broader characterization of ARGs and horizontal gene transfer mechanisms, and provide theoretical guidance for the control of ARGs and aquaculture ecosystems management.

抗生素及抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）作为新型污染物由于其构成潜在的人类健康风险已引起学者广泛关注。集约化水产养殖被认为是增加环境中抗生素及ARGs的主要因素之一。目前基于宏基因组高通量测序对水产养殖环境体系中ARGs的物种分布及多样性研究还相对较少，尤其在水产养殖环境高COD、高氮磷、重金属以及抗生素复合污染作用下环境因素对ARGs水平迁移转化的影响相关作用更是知之甚少。本项目以典型水产养殖环境样品为研究对象，分别采用宏基因组高通量测序及实时荧光定量PCR方法对典型水产养殖周期底泥中ARGs的分布及多样性变化进行整体研究，重点采用多元统计分析抗生素及重金属共同选择压力下环境因子对ARGs分布及迁移转化的影响大小。本项目以期为水产养殖环境中新型污染物ARGs迁移转化规律提供理论指导，为水产养殖生态系统管理提供科学依据。

抗生素在环境中的残留诱导了环境中耐药性细菌和抗生素抗性基因的产生与传播，对周边环境带来潜在生态风险。沉积物作为一种重要的环境介质，是水体中污染物质迁移转化的载体和归宿。目前，关于水产养殖环境中抗生素与ARGs污染的研究相对较少。因此，探究水产养殖环境中抗生素及ARGs的生态风险问题十分有必要。研究结果包括：.1）不同水产养殖类型（长寿湖、龙滩河、甘井河）沉积物抗生素及其风险评估.不同类别抗生素的赋存水平大小为四环素类>磺胺类>喹诺酮类>大环内酯类。其中长寿湖沉积物中抗生素的平均含量为58.99ng/g，甘井河与龙滩河沉积物的抗生素含量分别为47.48ng/g和45.38ng/g。同时，采用风险商值法对抗生素残留进行生态风险评价，沉积物中TC、SMX的环境风险较高，TMP、OFL、RTM表现为痕量残留，风险商基本处于0.1以下，其它抗生素基本上处于中等生态风险范围。长寿湖的平均风险为0.66，甘井河的平均风险为0.49，龙滩河的平均风险为0.43，均为中等风险。.2）不同水产养殖类型沉积物抗性基因多样性研究.β-内酰胺类ARGs与转座子在本研究中均未检出，其余类别抗性基因的含量高低依次为：磺胺类>四环素类>大环内酯类>喹诺酮类。长寿湖沉积物的抗性基因平均检出丰度为6.34× 10-3，不同点位的ARGs分布差异明显，整体上呈现出生态养殖区的含量高于生态旅游区；甘井河与龙滩河沉积物的抗性基因平均检出含量分别为6.38× 10-3和6.07× 10-3，除极个别点位外，两流域沉积物抗性基因的分布呈现一定程度的相似性。.3）不同水产养殖环境中重金属对抗生素抗性基因的协同抗性作用.抗生素除了与同类别的抗性基因之间存在不同程度的相关性外，还会影响其他类别的抗性基因；不同流域的抗生素均会受到Ni的影响，此外，长寿湖抗生素环境影响因素有Mn、Zn、Cu、Pb和有机质；长寿湖流域ARGs含量的环境影响因素主要是Mn、Zn、Ni和有机质。同时，本研究对抗生素和ARGs的同源性分别进行了分析，结果表明除了同类别的抗生素之间具有同源性，不同类别的抗生素也可能具有共同的复合污染来源。.项目执行期，明确了三种典型水产养殖环境区域等不同类型抗生素及抗性基因多样性的影响，并探索了重金属胁迫下对抗生素抗性基因的影响。共培养了三名硕士，刊发SCI论文11篇，核心期刊论文2篇，申请发明专利4项。