鄱阳湖沿岸城市污水处理厂和工业污水处理厂抗生素耐药基因及细菌群落特征外文翻译资料

鄱阳湖沿岸城市污水处理厂和工业污水处理厂抗生素耐药基因及细菌群落特征

原文作者 Huijun Ding , Min Qiao , Jiayou Zhong , Yongguan Zhu , Chunjing Guo , Qianqian Zhang , Ping Yang , Liu Han , Weihao Zhang , Yixiao Wu , Jutao Liu , Lanting Zhang , Junhong Sun

单位 江西省水科院鄱阳湖水资源与环境重点实验室

中国科学院生态环境科学研究中心城市与区域生态国家重点实验室天津水产科技重点实验室

中国科学院城市环境研究所城市环境与健康国家重点实验室

武汉大学资源与环境科学学院

摘要：污水处理厂（STPs）是抗生素抗性基因（ARGs）和抗生素抗性细菌(ARB)的重要储藏库。城市污水处理厂（MSTP）和工业污水处理厂（ISTPs）是城市中最重要的两种污水处理厂类型。本研究采用高通量qPCR和高通量Illumina测序技术,对鄱阳湖附近的两个MSTP和一个ISTP的精氨酸（ARGs）、可移动遗传元件（MGEs）和细菌群落进行了全面的研究。结果表明，ISTP和两个MSTP的ARGs、MGEs和细菌分布存在差异，这很可能是由于进水水质的差异，例如在ISTP的进水中具有特征性的Pb。两种MSTP的水力停留时间（HRTs）比ISTP的长也可能是造成不同剖面的原因。因此，在CASS工艺中延长HRT似乎允许在具有类似处理工艺的ISTPs中更广泛地去除ARGs和细菌。通过全面了解ARGs、MGEs的特征以及所选MSTP和ISTP的细菌群落，我们的研究为控制ARGs和ARB在不同类型STPs中的传播和扩散提供了科学依据。

关键词：抗生素耐药基因；流动遗传元件；污水处理厂；工业污水；城市污水；细菌群落

1. 引言

抗生素抗性基因（ARGs）作为一种新型的环境污染物被广泛探索，因为它们对生态安全和人类健康都构成威胁（Pruden et al.，2006；Suzuki et al.，2008；Chen et al.，2013；Jiang et al.，2013；Yang et al.，2014；Li et al.，2018）。污水处理厂（STPs）持续接收抗生素、抗生素耐药菌(ARB)和ARGs（Kuemmerer,2009年；Gao等人,2012年）。它们的营养含量高，流入的抗生素、杀菌剂和金属浓度低，是ARGs传播的有利环境。事实上，污水处理可能会导致污水处理厂最终出水中的精氨酸百分比高于原始进水中的精氨酸百分比。STP每天向接收水体排放109-1012个菌落形成单位（Novo和Manaia，2010年），因此也是ARG的重要储集层。虽然传统的STP并不是为去除ARGs而设计的（Rizzo等人，2013年），但细菌群落演替和ARGs的特性会因生物处理过程中发生的竞争、捕食和其他生态相互作用而改变，并取决于细菌对化学或UV介导的消毒的不同敏感性（Di Cesare等人，2016年；Higgins等人，2018年；Luo等人，2014年；Rizzo等人，2013年；Zhang等人，2019b)。

STP中的ARGs和细菌群落模式还受到环境因素（Tang等人，2007年；Novo等人，2013年；Xu等人，2015年）和废水处理工艺（Munir等人，2011年；Zhang等人，2018年）的影响。含有不同细菌群落的废水的持续流入可能会影响一个废水处理生物反应器的活性污泥中的细菌群落。然而，Shchegolkova等人。（2016年）证明,进入废水的化学成分是STPS中活性污泥分类结构的主要决定因素，而不是生物成分。同样，Lee等人。（2015）发现进水废水群落对活性污泥群落的影响很弱。

污水处理一般包括三个阶段：物理操作的一级处理、生物和化学工艺的二级处理和附加工艺的三级处理。总体而言，三种处理导致细菌数量显著减少，包括耐药细菌总数（Bouki等人，2013年）。然而，尽管污水处理在世界范围内可能大体一致，但能力、处理程序、消毒剂量和其他因素的差异可能以不同的方式和程度影响STP的微生物群落（Kistemann等人，2008年）。

大多数研究都集中于城市污水处理厂，侧重于处理各种来源的人为废物（MSTPS；Corno等人，2019年；Luo等人，2014年；Novo等人，2013年）。相比之下，工业污水处理厂（ISTPs）管理的是工业污水，如工业园区内不同企业的混合污水。很少有研究对ARGs和ISTPs的细菌群落进行了研究（Lee等人,2017年）,而且据我们所知，不同污水源对ARGs归趋的影响尚未得到充分解决（Fiorentino等人,2019年）。本研究采用高通量定量聚合酶链反应（HT-qPCR）和Illumina测序技术,对鄱阳湖附近两个MSTP和一个ISTP的ARGs、MGEs和细菌群落特征进行了研究。并探讨了影响MSTP和ISTP中ARGs、MGEs和细菌群落不同特征的因素。本研究获得的全面了解为控制ARGs和ARB在不同类型STP中的传播扩散提供了科学依据。

1. 材料和方法
   1. 选址和样品采集

从两个MSTP（CYW和GQW）和一个ISTP（XLW）采集污水和活性污泥样品。三个STP均位于鄱阳湖沿岸，鄱阳湖是中国最大的淡水湖，也是选定STP的最终受纳水体。CYW处理来自南昌市的城市污水，南昌市位于鄱阳湖西南岸，是江西省的省会。2017年南昌市居住人口为546万人。GQW位于鄱阳湖近岸小城共青城市，2018年居住人口13万。XLW位于南昌市的一个工业园区内。园区内企业主要为印染、制药、机械加工、食品饮料四类。三个STP的位置和主要处理过程如图1所示。CYW和GQW采用氧化沟工艺，XLW一期采用序批式(SBR)工艺，二期采用循环活性污泥法(CASS)工艺。表1列出了三个STP的参数。

图1.鄱阳湖边选定的STPs（GQW,CYW,XLW）的位置和主要处理工艺

采样的时间是2018年7月的夏天，也就是一年中细菌最活跃的时候。从每个STP收集进水、出水和污泥样品。对于进水（原污水）样品，将污水和纯乙醇以1：1的体积比（最终体积：600mL）混合在1.5L聚乙烯瓶中，以固定污水中的微生物。对于污泥（来自CYW和GQW的氧化沟活性污泥和来自XLW的CASS 池活性污泥），污泥和纯乙醇以1：1的体积比（最终体积：40 mL）在50mL离心管中混合。对于出水（经消毒处理的排水），从每个STP收集2L污水样本。

采用氧化沟工艺对两个MSTP（CYW和GQW）的进水和污泥样品进行了3个时间点的采样,采样间隔为1h,得到3个平行的样品。根据水力停留时间(HRT)采集相应的出水样品。在ISTP(XLW)中，抓斗取样，包括进水、出水和污泥，一式三份。样本在冰柜中运至实验室进行预处理，并储存在80℃以提取DNA。采用美国HACH HQ40d型双输入多参数数字分析仪，现场测定了水质参数，包括温度(T)、电导率(EC)、氧化还原电位(ORP)和溶解氧(DO)。总氮(TN)、NH4 、NO3-、总磷酸盐(TP)和PO43 均按国家标准在实验室进行分析。具体水质指标包括氯化物、总钙、总镁、油类、Cd、Pb、Cu、Zn和18种抗生素的含量于2019年11月采样并在24 h内进行分析。抗生素的分析方法如我们之前的研究（Ding et al.,2017）所述，其他指标均遵循中国国家和环境标准。水质检测结果见表S1。

表1

三个污水处理厂的污水处理工艺和参数。

采样点 STP类型 污水源 人口当量服务 日处理量(m³/d) 工艺参数 处理过程 排放标准 受纳水

• 1. 样品预处理和DNA提取

对进水，将混合乙醇的污水分入50 mL离心管，在12000 g下离心10 min。倒掉上清液，用1mL生理盐水洗涤沉淀物，并反复混合以清洗样品。将样品转移到新的1.5mL离心管中并在18,000 g下离心5分钟后，丢弃上清液，将残余沉淀物与978 mL PBS缓冲液混合，转移到包含在FastDNAreg;土壤自旋试剂盒（MP BiomeMedical,USA）中的裂解基质E管中，并处理以提取DNA。

用2 mL 50%乙醇固定的活性污泥在18000 g离心2 min。弃去上清液，在离心管中加入1mL生理盐水洗涤样品。样品在18,000 g下离心5分钟后，丢弃上清液，并将残余沉淀物转移到裂解基质E管中用于DNA提取。

通过0.2毫米硝酸纤维膜过滤800毫升出水，富集出水中的微生物。将未用于过滤的膜部分修剪掉；剩余部分切成约3毫米30毫米的细条，转移到裂解基质E管中提取DNA。

根据制造商的说明，使用FastDNAreg;土壤自旋试剂盒从上述样品中提取总DNA。将50毫升的最终DNA洗脱液保存在80摄氏度的冰箱中，用于ARG和16SrRNA测试。

• 1. 高通量qPCR（HT-qPCR）及数据分析

应用美国WafergenSmartChipreal-timePCRsystem（Wafergen,USA）,采用HT-qPCR方法检测ARG和MGE基因分布,共使用296对引物,其中ARGs引物283对,MGE引物12对,16SrRNA引物1对。引物组的设计如前所述（Looft等人，2012年；Z

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