生活饮用水消毒致细菌耐药基因水平转移和传播机制及其控制研究

Bacterial antibiotic resistance genes (ARGs), classified as a new kind of environmental pollutant, are now attracting more and more global attention for their ecological security and environmental health risk. Drinking water treatment system, however, not only cannot remove ARGs and drug-resistant bacteria (ARB) effectively, but increased ARGs and ARB pollutions in water. In response to this phenomenon, we first proposed the hypothesis of "water disinfection leads to horizontal transfer and dissemination of bacterial antibiotics resistance genes". Followed by knowing of forming rules of ARGs contamination resulting from the drinking water disinfection, and clarifying how to form the disinfection injury bacteria and their changes in cell membrane permeability, we will verify this hypothesis under the cellular and molecular level through laboratory simulated experiments and actual drinking water treatment system research with the help of several technologies such as plasmid metagenomics, fluorescent tracer, transmission electron microscopy, atomic force microscopy, confocal microscopy, real-time fluorescence quantitative PCR technology. Furthermore, a new technology of disinfection for effective control of ARGs transfer and dissemination will be developed. This project will not only open up the new fields of mechanism of ARGs and ARB dissemination in the water environment, but also provide scientific decision basis and technical support for the effective control of pollution. It should promote the development of public health in china ultimately.

细菌耐药基因（ARGs）作为一类新型环境污染物，引发的生态安全与环境健康风险日益引起全球关注，而生活饮用水处理系统，不仅不能有效除去ARGs和耐药菌（ARB），反而增加水中ARGs和ARB的污染。本项目针对此现象，首次提出"生活饮用水消毒致细菌耐药基因水平转移和传播"假说，并从生活饮用水消毒中ARGs污染形成规律出发，在阐明消毒损伤细菌形成规律及其细胞膜通透性变化的基础之上，通过实验室人工模拟和实际生活饮用水处理系统研究，利用宏质粒组学、荧光示踪、透射电镜、原子力显微镜、荧光共聚焦显微镜、实时荧光定量PCR等技术，从细胞和分子水平多层次验证该假说，最后根据各种消毒方法对ARGs和ARB的影响，提出一种有效控制ARGs转移和传播的消毒新工艺。本项目不仅将开辟水中ARGs和ARB传播机制研究新领域，还将为有效控制ARGs和ARB污染提供科学决策依据和技术支撑，最终推动我国公共卫生事业的发展。

细菌耐药基因（ARGs）作为一类新型环境污染物，引发的生态安全与环境健康风险日益引起全球关注，而生活饮用水处理系统，不仅不能有效除去ARGs和耐药菌（ARB），反而增加水中ARGs和ARB的污染。本项目针对此现象，提出“生活饮用水消毒致细菌耐药基因水平转移和传播”假说，并从生活饮用水消毒（氯消毒，二氧化氯消毒和紫外线消毒）中ARGs污染形成规律出发，在阐明消毒损伤细菌形成规律及其细胞膜通透性变化的基础之上，通过实验室人工模拟和实际水处理系统研究，多层次验证该假说。首先，本课题证明，消毒后的水样仍然含有大量胞外耐药基因。通过实验室模拟，我们发现水中细菌即使全部死亡，消毒后的悬液仍可PCR扩增出耐药质粒全长和氨苄基因，且耐药质粒具有转化功能，同时，我们建立了一种基于载阳电荷滤料的大体积水样游离基因的富集技术，它可以使水中耐药基因回收率达到95%以上，且耐药基因检测灵敏度提高104倍以上，利用该技术，我们证明经过消毒处理后的自来水、污水处理厂出水均含有大量胞外耐药基因，并且污水处理厂消毒后出水中的胞外耐药基因和胞内耐药基因浓度均较消毒前的水样有显著提高。其次，本课题证明，不同耐药菌对消毒剂的抵抗力不同，且金黄色葡萄球菌和肠球菌的抵抗力较强，另外，在一定剂量消毒剂作用下，会产生无法用常规检测方法检测到的消毒损伤菌，这些损伤菌具有感受态性质，可以提高质粒RP4转化频率10-100倍，通过对实际生活饮用水的检测，我们也发现生活饮用水中含有消毒损伤菌，且分离检测出金黄色葡萄球菌和肠球菌损伤菌。最后，本课题通过实验室模拟，验证了消毒技术可以促进水中细菌的转化，并发现，质粒越小，越容易发生转化，其转化频率越大，同时，pH值、温度、氨氮、重金属浓度等水质因素均对消毒损伤细菌的转化频率具有显著影响。本项目丰富了水中ARGs和ARB传播机制，将为今后有效控制ARGs和ARB污染提供科学决策依据和技术支撑，最终推动我国公共卫生事业的发展。