饮用水中细菌抗生素抗性的适应度代价研究

The extremely low levels of antibiotics in drinking water do not match the ubiquitous bacterial antibiotic resistance (BAR) evidently. This phenomenon is supposed to be explained by the amelioration or elimination of the BAR fitness cost considering the bacteria can grow and proliferate in water phase, reactor and pipelines in drinking water system. The following will be systematically investigated in this study: the effects of different BAR source on the fitness cost and the specific alternation of the fitness; the effects of biofilm and the physiological/biochemical characters of the bacteria on the fitness cost; and the effects of water quality and performance parameters on the fitness cost. The results will elucidate the qualitative and quantitative trends of antibiotic resistant bacteria in drinking water conditions from the angle of the spread of BAR in environmental media, i.e. BAR hereditary stability and its impact factors. It is also expected that this study will improve the theory of origin and development of BAR in important environmental media, and meanwhile provide novel scientific foundation to the control of BAR in drinking water.

饮用水中极低的抗生素水平与普遍存在的细菌抗生素抗性（BAR）之间具有明显的不匹配性。饮用水系统中的细菌会在水相、反应器和管网生物膜中生长繁殖，当这一因素被考虑时，申请者认为这一不匹配性可以用BAR适应度代价（Fitness Cost）减弱或者消失的理论解释。本研究将深入探讨BAR的不同来源对适应度代价的影响及其表现形式，生物膜和细菌生理生化特征对水中BAR适应度代价的影响，水质和工艺条件对BAR适应度代价的作用等问题。研究结果将从BAR在环境介质中的传播与扩散，即宏观时间尺度下BAR的遗传稳定性及其影响因素这一角度，来阐述饮用水水质和工艺条件下抗生素抗性细菌数量消长、性状强弱的变化规律。本研究有望进一步完善BAR在重要环境介质中发生发展的理论，同时为饮用水中BAR的控制提供科学依据。

饮用水中抗生素水平极低，经常处于检出限以下，这与饮用水系统中普遍且显著存在的细菌抗生素抗性之间存在明显的不匹配性。本项目从适应度代价的角度出发，提出饮用水的贫营养环境可能是会导致抗性细菌的适应度代价减弱或者消失，进而使抗性细菌得以在饮用水中持久存在的观点，并进行了验证。取得了主要结果和结论如下：.（1）分别具有利福平抗性（抗性机制为靶位点变异）和环丙沙星抗性（抗性机制为外排泵）的模式菌株E. coli K12和P. aeruginosa PAO1与其对对应的野生型菌株竞争培养，抗性细菌在高营养水平下快速减少而其在低营养水平缓慢下降或保持稳定，即抗性菌株适应度代价下降或消失。其原因在于抗性菌株与野生型菌株在贫营养条件下呼吸速率的差异减小，以及rpoS基因相对表达量减少。这一现象可以归纳为“难题效应”。.（2）从自来水厂砂滤池填料表面获得的抗性环境菌株总体上具有较好的遗传稳定性，其中一株铜-利福平双抗细菌Cupriavidus metallidurans CR2具有一定的适应度代价，但代价较低。 饮用水水平的碳源浓度有助于C.metallidurans CR2保留抗性质粒。C.metallidurans CR2以及与其类似的一类细菌可能成为饮用水系统中抗性基因的重要贮存库和供体，促进饮用水中BAR的维持和传播。.（3）中试水平饮用水生物滤池平行试验表明，有机物浓度显著影响反应器内的生物量、微生物群落结构及抗性组。进水有机碳浓度越高，细菌群落多样性越低，且细菌群落结构越相似；在沿滤柱深度上细菌群落的多样性和ARGs的相对丰度呈升高趋势。由于滤柱有机物浓度沿深度下降，上述结果表明饮用水条件下的ARGs的适应度代价在环境群落水平上呈现下降的趋势。. 上述结果从模式菌株、环境菌株和环境群落的不同水平上，验证了本项目提出的假设，在一定程度上解释了饮用水中抗生素稳定存在和传播扩散的机制。本项目的成果完善了细菌抗生素抗性在重要环境介质中发生发展的理论，为饮用水中细菌抗生素抗性的控制提供科学依据。