污水厂耐药菌/耐药基因在泥-水-气中的分配特征与扩散规律

Large amount of antibiotic resistant bacteria(ARB) and antibiotic resistant genes(ARGs) exist in the wastewater treatment plant （WWTP）. ARB/ARGs can spread widely via environmental matrices. At present, their environmental behaviors of ARB/ARGs within and without WWTP are largely unknown, especially the study of ARB/ARGs distribution and migration in different matrices like as sewage, sludge and bioaerosol, should be strengthened. Therefore, in this project a large WWTP in Jinan will be selected to study the migration of ARB/ARGs among different matrices of sewage,sludge and bioaerosol. Taking into acount of the influence of wastewater treatment process and meteorological factors, multiple molecular biological techniques of metagenome, multiple site sequence typing (MLST), pulsed-field gel electrophoresis (PFGE), southern blot hybridization with labeled DNA probes and PCR-based replicon typing (PBRT), also the whole strain sequencing and the key plasmid sequencing will be used to study from the following three aspects: 1. Identify the types and concentrations of ARB/ARGs in wastewater of WWTP and determine the most important ARB and high risk area; 2. Distribution of ARB/ARGs in the sewage-sludge system; 3. Spreading of ARG with bioaerosol from WWTP to living quarters. With these studies, the distribution and spreading of ARB/ARGs would be clarified. The conclusions we drew from this research are very important to do the prevention measures and support to control the spread of ARB and ARGs in and around the WWTP.

污水中存在大量耐药菌（ARB）和耐药基因（ARGs），可通过跨介质迁移扩散。但目前污水厂ARB/ARGs在多介质中的传播研究不多，缺乏泥-水-气中ARB行为的整体性研究。本项目将选择济南某大型污水处理厂，利用宏基因组学以及多位点序列分型（MLST）、脉冲场凝胶电泳（PFGE）、Southern blot杂交与标记的DNA探针以及复制子分型（PBRT）、重要菌株的全基因及关键质粒测序技术，结合污水处理工艺和季节性差异，从以下3方面进行研究：1. 结合季节性差异阐述污水中ARB/ARGs的赋存规律与流行特征，确定污水厂中的重点功能区及重要ARB；2. 探讨重点功能区中的ARB/ARGs在泥-水中的分配特征；3. 揭示不同气象条件下重点ARB在水-气传质过程中的扩散规律。通过本研究，明确污水中ARB在污泥和生物气溶胶中的分配特征与扩散规律，为遏制污水厂及周边ARB的传播提供理论依据。

污水处理厂汇集社区、医院、企业等多方面的污水，含有大量耐药菌（ARB）和耐药基因（ARGs），更重要的是这些有着较高丰度ARGs的废水仍会通过灌溉、养殖循环用水等方式影响人类健康。经过本研究，污水处理厂及小清河水和污泥有多种抗生素残留：污水处理厂氟喹诺酮类抗生素检出率最高，而小清河流域甲硝唑最高；污泥中抗生素显著高于污水中抗生素的残留浓度，且污泥中抗生素浓度在不同季节趋于相对稳定的水平，污水中的抗生素呈现出一定的季节变化规律，冬季各抗生素的浓度明显高于其他季节，其后秋季、夏季、春季依次降低。从水、泥样本中共分离出309株目标耐药菌株（分离自138个样本）。其中120株为产ESBLs菌株，189株为耐碳青霉烯菌株，入水口样本中耐药菌检出数量比其他功能区域更多，季节检出规律不同。检出的耐碳青霉烯类肠杆菌科有大肠杆菌143株、肺炎克雷伯杆菌51株、柠檬酸杆菌9株、阴沟/阿氏肠杆菌25株、解鸟氨酸拉乌尔菌、植生拉乌尔菌、霍氏肠杆菌，产酸克雷伯菌3株，以及其它非肠杆菌科等。其中，本研究共分离出57株耐碳青霉烯肺炎克雷伯菌（CRKP），夏季检出多于冬季，血清型大多数为ST11型，结果证实在当地医院、污水厂以及河水之间存在克隆传播。本项目首次在城市室外气溶胶环境中检出携带NDM-5耐碳青霉烯类塞式柠檬酸杆菌，证明了多重耐药菌在河水和空气中存在克隆传播的现象，使得耐药菌更容易造成机体感染。在污水、污泥中分离出的17株携带耐碳青霉烯类基因的解鸟氨酸拉乌尔菌与污水处理厂不同单元的多重耐药菌有高度同源性。检出的耐碳青霉烯类多重耐药大肠杆菌共143株，耐药基因均在质粒上。检出产超广谱 β-内酰胺酶（ESBL）多重耐药菌肠杆菌科290株，主要包括大肠杆菌和肺炎克雷伯杆菌，冬季检出比夏季检出更高。研究从耐药特征、毒力特征与时空分布上分析了污水处理厂中的多重耐药菌，证明医院污水是其重要来源，并很可能对当地居民健康构成严重的威胁，为城市污水厂建设选址提出了新的要求。