供水管网生物膜对细菌多重耐药性形成及环境适应性影响的分子机制

Biofilm in water distribution system is the main source of microbial risk in drinking water. Because of the limitation of conventional water treatment process, some trace antibiotics and antibiotic resistance genes can flow into water supply system and contact pipe biofilm. Whether these antibiotic resistance genes can affect the antibiotic resistance of the attached bacteria to form multidrug resistance and their environmental adaptability is still needed farther study. In this project, living cell based Macro transcriptome high throughout sequencing technology and high throughout qPCR technology will be applied to detect antibiotic resistance gene and mobile genetic elements in drinking water and biofilm to find the molecular mechanism of the formation of multidrug resistance bacteria and environmental adaptability. The effect of different selective stresses like pipe water quality , ozone oxidation, UV disinfection and chlorination on bacterial multidrug resistance and environmental adaptability in water distribution system will be investigated to find the control strategies for bacterial regrowth and the formation of multidrug resistance bacteria occurring in the biofilm by enhancing the multi barriers in water supply system and give technology support to control waterborne antibiotic resistance and deep understanding for microbial risk from pipe biofilm.

供水管网生物膜是饮用水中微生物风险的重要来源。由于传统净水工艺的局限性，水环境中的微量抗生素和耐药基因能够进入供水管网并与管网生物膜接触。进入管网的耐药基因是否会对管网生物膜中微生物耐药性和环境适应性产生影响并形成多重耐药菌而介水传播，还缺乏深入研究。本项目以基于活菌的宏转录组高通量测序技术和高通量qPCR检测技术为核心，结合分离的单菌验证，通过对饮用水及管网生物膜细菌中耐药基因和可移动遗传元件分析，揭示基因水平转移在管网生物膜环境中对细菌多重耐药性形成和环境适应性影响的分子机制；通过研究供水系统中各种选择压力，如管网来水水质条件、臭氧氧化、UV消毒、氯化消毒对管网生物膜中细菌多重耐药性和环境适应性的影响，发现调控供水管网生物膜生长及多重耐药菌产生和传播的技术途径，为控制介水传播抗生素耐药性问题和深入理解供水管网生物膜微生物风险提供理论和技术支持。

利用宏基因组测序技术全面分析了4种不同材质管道内壁生物膜样本的抗生素抗性基因的分布特征，包括抗生素抗性基因种类和丰度，multidrug类抗性基因的分布特征，可移动遗传元件的分布特征及抗生素抗性基因和细菌群落及可移动遗传元件的共现关系，并对样本中影响抗生素抗性基因分布特征的因素进行了探究。.通过本项目研究表明，不同管材管壁微生物附着具有选择性，管壁生物膜中抗生素抗性的首要影响因素是细菌群落组成，其次是可移动遗传元件介导的基因水平转移，物种组成和可移动遗传元件共同塑造了抗性基因的分布特征。.通过本项目研究表明，水样本中物种与抗生素抗性基因的相关性更强，其抗生素抗性基因的水平转移潜力更低，而生物膜样本中抗生素抗性基因水平转移的潜力更高；生物膜样本中的抗生素抗性基因和可移动遗传元件的相关性更高，说明生物膜样本中由可移动遗传元件介导的抗生素抗性基因的水平转移潜力比水样本中的更大，生物膜中更易发生基因水平转移，促进多重耐药性的发生。.通过本项目研究表明，在生物膜样本和水样本中，dnd基因簇在水样本中被更多微生物携带，其可能在宿主细胞抵抗水环境中的胁迫与压力等方面发挥重要作用。T6SS相关基因在生物膜中与其中的物种关系密切，其与高丰度物种的共现关系表明该分泌系统可能在生物膜细菌群落的塑造中发挥重要作用。.在供水系统中，总ARGs、总整合子和总转座子的丰度之间呈正相关关系；变形杆菌是整个供水系统中的主要细菌门。mcr-1和blaNDM-1在供水系统中普遍存在。.管网输配系统中的氯胺消毒剂不能有效地控制ARGs的绝对丰度。可移动遗传元件在供水系统中通过基因水平转移(Horizontal gene transfer, HGT)对ARGs传播起主要作用。统计分析表明，温度对整个供水系统中mcr-1和blaNDM-1的丰度没有影响。mcr-1可以通过饮用水传播到健康小鼠肠道。.dndB基因可以减轻MCR和NDM基因携带细菌在水处理过程中因氯胺消毒所受影响。带有MCR、NDM和dndB基因的菌属的富集可能是由于氯胺消毒过程中dndB的抗性所致，从而导致水处理工艺出水中ARGs的相对丰度增高。