非均质地下水系统中粘土胶粒对质粒DNA迁移与抗药基因转化的影响

Most drinking groundwater resources in China have been contaminated by microorganisms.Development of antibiotic resistance via genetic transformation in pathogens further intensified this problem. Completed research suggested clay colloid is a key control on the transformation of DNA’s antibiotic resistance.Nonetheless, it remains unclear how the colloidal particle may affect the transport and genetic transformation of DNA in heterogeneous and dynamic groundwater systems. Based on column tests, this project aims to explore systematically the influence of clay colloids on DNA transport and genetic transformation via facilitated transport and co-transport processes. A numerical model will be developed to simulate the co-transport of clay colloids with DNA and to quantify the interplay of particle size and structure, DNA concentration,sand graduation and water chemistry (pH, ionic strength and type) with DNA transport. Column tests will further explore the influence these dynamic processes may have on the interaction between DNA and bacteria and transformation efficiency. Research findings may enhance understanding on the propagation of antibiotic resistance in groundwater, reinforce the prediction capacity of this environmental process and provide theoretical support for control of groundwater microbe risk and prevention of water-borne disease.

我国地下饮用水源微生物污染严重，基因转化使致病细菌获得抗药性而产生更大的环境健康风险。研究表明粘土胶粒是影响DNA的抗药基因转化能力的关键因素，但在非均质流动态的地下水系统中，粘土胶粒对DNA迁移和基因转化的影响机理尚不清楚。本项目拟通过柱迁移实验，系统研究粘土胶粒在携带迁移和共迁移状态下对质粒DNA在非均质多孔介质中迁移和分布的影响机理，开发数学模型模拟粘土胶粒与DNA的共迁移过程，量化粘土粒径与结构特征、DNA浓度、砂介质级配和水化学（pH,离子强度、离子成分）等参数对共迁移过程的影响。在此基础上，通过柱实验进一步研究上述动态过程对DNA与细菌的相互作用以及抗药基因转化的影响。研究成果将促进对地下水环境中微生物抗药性能传播机理的理解，提高对这一环境过程的预测能力，为地下水微生物风险管理和水致疾病预防提供理论支持。

我国地下饮用水源微生物污染严重，基因转化使致病细菌获得抗药性而产生更大的环境健康风险。本项目的最终目标是促进对携带抗药基因的DNA片段在地下水环境中迁移和传播的机制的理解，提高对环境中耐药性传播的预测和风控能力。基于此，系统研究了抗药DNA的迁移过程与环境影响机制、DNA对细菌的耐药转化机制这两部分内容。研究结果显示：（1）地下水中三种主要的阴离子（Cl-, SO42-, NO3-）均能促进抗药基因的迁移，但在相同离子强度下促进程度不同。这一离子特异性主要是因为离子的粒径和疏水性不同，造成它们在抗药基因表面的吸附和电性修饰强度不同。相比一价离子，二价离子的表面电性修饰效率更高，从而对抗药基因迁移的促进效果更强；（2）粘土胶粒是水土介质中常见的天然胶粒，它们不但能保护抗药基因在环境中不被降解，还能通过携带迁移机制提高抗药基因的迁移能力，从而增加了抗药基因在水土介质中的传播风险；（3）塑料胶体是抗药基因的重要载体，表面检测出了多种土壤抗药基因。土壤胶体和塑料胶体的异质聚凝，可提高塑料胶体的密度和表面电性，从而使其能垂向向下迁移，增加了抗药基因从土壤迁移进入地下水的风险；（4）塑料胶体的粒径和表面官能团是影响其迁移的重要因子。但在天然地下水环境中，土壤有机物吸附到胶体表面后，会取代粒径和表面官能团而成为影响胶体迁移的主导因子。另一方面，粒径和表面官能团也能影响有机物在塑料胶体表面的吸附类型，从而间接控制塑料胶体的迁移能力。（5）纳米银虽然能通过与细胞膜的交互作用，增加细胞膜的孔隙度，从而提高大肠杆菌对抗药基因的摄取率，但由于毒性效应，会抑制细菌的耐药转化。这表明在生活废水中，纳米银的存在可以降低抗药性的传播风险。（6）农业增肥用的发酵花生壳能持续提高致病菌群的丰度，从而促进抗药基因在致病细菌之间的传播，提高致病风险。这些研究结果，促进了对土壤和地下水环境中微生物抗药性传播机理的理解，提高对这一环境过程的预测能力，为地下水微生物风险管理和水致疾病预防提供理论支持。