给水管网多相条件下抗生素抗性基因的分布特征及迁移规律

The prevalence of antibiotic resistance genes (ARGs) poses potential risks to both human health and ecology environment. Its secondary contamination of drinking water in the distribution system is also becoming an increasing concern. However, the characteristics of ARGs in multiple phases of drinking water distribution system (DWDS) are still unclear. In this study, a pilot DWDS will be built in the lab. The physical, chemical and bacterial characteristics of bulk water, pipe wall biofilm and suspended particle will be evaluated based on water quality, particle, ATP and bacterial community analysis. The properties of ARGs in the three phases will be analyzed by culture-dependant and molecular methods. Bacterial susceptibility of isolates from the three phases to typical antibiotics (tetracycline and sulfonamide etc.) will be tested by standard protocol of CLSI. The occurrence and distribution of antibiotic resistant bacteria will be studied. The abundance of typical ARGs in the three phases will be quantified by real-time PCR. High-throughput sequencing will be used to investigate the diversity and migration characteristics of ARGs and mobile genetic elements (MGEs) in the system. Key factors and their influence on the distribution and migration of ARGs in DSDW will also be analyzed. A better water treatment technique will be addressed to control the spread of ARGs in DWDS based on the results. This study will provide valuable information and technical support on optimization of technology, operational management and the safe drinking water supply.

抗生素抗性基因（ARGs）的污染对公共健康及生态环境都具有潜在危害，其对供水管网的二次污染也不容忽视，然而管网系统多相界面条件下ARGs的抗性特征尚不明确。本课题利用实验室管网模拟系统，针对水相、生物膜相和悬浮颗粒物相，通过表征水质指标、颗粒物性质、ATP及细菌群落等，全面评估管网多相界面的理化性质及微生物学特征；基于微生物培养和分子生物学方法分析管网系统中ARGs的抗性特征，从各相界面中分离纯化异养菌，并进行四环素、磺胺类等典型抗生素的药敏实验，确定抗性菌株的分布和行为特征；同时通过实时定量PCR对管网各相中特征ARGs的丰度进行定量表征；结合高通量测序技术研究ARGs和可移动遗传原件在各相的基因多样性及迁移转化规律；深入探究影响抗性基因传播扩散的关键因子及其响应特征。基于此研究提出控制饮用水管网中ARGs传播的技术方法，为饮用水工艺优化、运行管理及提高管网水质提供理论指导和技术支撑。

给水管网中抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes, ARGs）以及抗生素抗性细菌（Antibiotic resistant bacteria, ARB）引发的环境与健康风险已引起全球关注。本课题基于微生物生理生化和分子特性，从管网水相、生物膜相和颗粒物相三个层面全面识别ARGs和ARB的抗性特征，解析ARGs在管网不同相界面的抗性特征、基因多样性及迁移转化规律，影响抗性基因传播扩散的关键因子及其响应模式。本研究以美国疾病预防与控制中心 (Centers for Disease Control and Prevention,CDC)研制的生物膜反应器来模拟给水管网输配系统，首先研究了颗粒物对不同管网材质（聚碳酸酯PC、聚乙烯PE和不锈钢SS）出水微生物安全性的研究，发现PC材质的管网比PE和SS更易吸附细菌，出水的颗粒物浓度和细菌数量也远远高于其他两种材质的出水，而且颗粒物与出水的HPC和TCC均具有显著相关性；研究还发现管网出水中比例最高的是链霉素和氨苄西林抗性菌，链霉素抗性菌是生物膜相抗性比例最高的细菌，而氨苄西林抗性菌是颗粒物相抗性比例最高的细菌，提示出水中的抗性菌可能来自于生物膜和颗粒物，生物膜和颗粒物都会给细菌提供一个安全稳定的生长场所，使细菌能够抵抗残留消毒剂和部分抗生素的抑制作用；滞留时间对抗性菌的含量和其对抗生素的抗性均有影响，滞留过夜的水中的总异养菌群对抗生素的敏感性增强，且水中抗性菌数量增加，因此建议家庭用水时，应放掉过夜水，使用新鲜的水；研究发现抗性基因在颗粒物相和水相更为稳定，在生物膜相中抗性基因不稳定、容易发生变化，由于管壁生物膜极易脱落进入水体，某些细菌也会携带ARGs进入到水体中，因此生物膜是ARGs传播的重要媒介之一，其危害性不容忽视。此外，本研究探索了高通量定量PCR技术对管网ARGs研究的可行性，该方法较普通定量PCR具有通量高，灵敏度高德特点，对管网中ARGs的定量和检出都具有可行性。综上所述，本研究为饮用水消毒工艺优化、运行管理及预警提供理论指导和技术支持。项目资助发表论文10篇，待发表2篇，培养硕士研究生3名，其中1名已经取得硕士学位，2名在读。