来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2022/5/31 10:23:53
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FESE | 前沿研究:抗生素抗性基因在分散式污水处理设施中的分布及其与细菌、病毒的关联研究

论文标题:Distribution of antibiotic resistance genes and their association with bacteria and viruses in decentralized sewage treatment facilities.(抗生素抗性基因在分散式污水处理设施中的分布及其与细菌、病毒的关联研究)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Jiaheng Zhao (赵佳恒) , Bing Li (李冰) , Pin Lv (吕品) , Jiahui Hou (侯家辉) , Yong Qiu (邱勇) , Xia Huang (黄霞)

发表时间:13 Jul 2021

DOI:10.1007/s11783-021-1469-4

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原文链接:

https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-021-1469-4

文章出版:Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(3): 35

原文信息

题目:

Distribution of antibiotic resistance genes and their association with bacteria and viruses in decentralized sewage treatment facilities

作者:

Jiaheng Zhao (赵佳恒) 1, Bing Li () (李冰) 1, Pin Lv (吕品) 1, Jiahui Hou (侯家辉) 1, Yong Qiu () (邱勇) 2, Xia Huang (黄霞)2

作者单位:

1 School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

2 State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

关键词:

Decentralized sewage treatment facilities (分散式污水处理设施);

Antibiotic resistance genes (抗生素抗性基因);

Virus (病毒);

Metagenomics (基因组学);

Network analysis (网络分析)

文章亮点

• 调查了抗生素抗性基因(ARGs)在分散式污水处理设施的分布情况;

• 发现杆菌肽类ARGs是农村污水中最主要的ARGs;

• 鉴定了细菌和病毒群落中的ARGs;

• 证实rpoB, drfE, gyrA 和 parC等ARGs基因都和细菌和噬菌体有关;

• 强调噬菌体传播ARGs的风险应该受到重视。

封面图片

文章简介

抗生素抗性基因(ARGs)存在损害人类健康和生态安全的风险,在全球引起广泛的关注和担忧。当前,污水处理厂中的ARGs受到大量的研究,但是小型分散式污水处理设施中的ARGs鲜有报道。考虑到分散式污水处理设施的出水一般被回用,而且水处理效率不如大型污水处理厂稳定,传播ARGs的风险较大,所以有必要研究ARGs在分散式污水处理设施中的行为和传播特点。

本研究在江苏省常州市农村地区调查了6个分散式污水处理设施进水和出水中的ARGs、细菌和病毒,利用基因组学技术确定了这些ARGs的种类和相对丰度,以及细菌和病毒的群落结构(图1)。研究结果发现,进水和出水中细菌的种类都远超病毒的种类。在进水中主要的菌属有Flavobacterium (14.3%)、Acidovorax (10.2%)、Arcobacter (10.1%)、Limnohabitans (8.6%)和Pseudomonas (7.5%);在出水中主要的菌属是Acidovorax (14.5%)、Mycobacterium (12.4%)、Flavobacterium (9.8%)和Pseudomonas (8.5%)。进出水中的优势病毒是属于有尾噬菌体目(Caudovirales)的肌病毒(Myoviridae)、长尾噬菌体(Siphoviridae)和短尾噬菌体(Podoviridae)。根据抗生素耐药基因数据库的资料,在进水和出水中分别发现66和64种细菌ARGs,其中最主要的是与杆菌肽、四环素、磺胺、青霉素相关的ARGs。此外,在进出水中发现了19种病毒ARGs,这些ARGs对甲氧苄啶、利福平、脂肽、氨基香豆素、氟喹诺酮和吡嗪酰胺类抗生素具有耐药性。运用网络分析工具探究ARGs与细菌和病毒的关系,分别得到在属水平上ARGs和细菌(图2. a)、ARGs和病毒(图2. b)的二分网络图。

噬菌体在污水中传播ARGs的风险受到额外关注。通过比较同类ARGs在噬菌体和细菌之间的相对丰度比例,揭示rpoB这种ARGs通过噬菌体传播的风险最大。在分散式污水处理设施中,细菌和病毒群落的rpoB基因相对丰度较大,因此在分散式污水处理设施中应该更加关注由噬菌体传播的ARGs。

图1 进水(INF)和出水(EFF)样品中的细菌和病毒在属水平的群落组成。内圈罗列了病毒和细菌的属名。圈内的连接线连接了样品和属名,线宽代表样品中每一个属的相对丰度,线的颜色用于区分样本和微生物属之间的联系。

图2 (a) ARGs和细菌(属水平)的二分网络图;(b) ARGs和病毒(属水平)的二分网络图。彩色节点代表不同的ARG、细菌和病毒,节点大小表示其相对丰度。红线表示ARG与细菌或病毒的正相关关系。

编者点评

抗生素抗性基因(ARGs)在水环境中的潜在风险不容忽视。在乡村振兴的大背景下,治理乡村污水是一项重要的工作。针对乡村污水总量少,不易收集的特点,分散式污水处理设施在农村地区得到广泛的应用。本研究调查了典型农村分散式污水处理设施中ARGs的分布和传播特点,增加了人们对这些小型污水处理设施进、出水中ARGs的认识,有助于将来控制ARGs在农村地区的传播风险。

编者简介

刘啟迪,男,江西瑞金人,河海大学环境学院2019级博士生,导师为侯俊老师,研究方向为水环境保护与生态修复。

摘要

The distribution of antibiotic resistance genes (ARGs) has been intensively studied in large-scale wastewater treatment plants and livestock sources. However, small-scale decentralized sewage treatment facilities must also be explored due to their possible direct exposure to residents. In this study, six wastewater treatment facilities in developed rural areas in eastern China were investigated to understand their risks of spreading ARGs. Using metagenomics and network analysis tools, ARGs and bacterial and viral communities were identified in the influent (INF) and effluent (EFF) samples. The dominant ARGs belonged to the bacitracin class, which are different from most of municipal wastewater treatment plants (WWTPs). The dominant hosts of ARGs are Acidovorax in bacterial communities and Prymnesiovirus in viral communities. Furthermore, a positive relationship was found between ARGs and phages. The ARGs significantly correlated with phages were all hosted by specific genera of bacteria, indicating that phages had contributed to the ARG’s proliferation in sewage treatment facilities. Paying significant concern on the possible enhanced risks caused by bacteria, viruses and their related ARGs in decentralized sewage treatment facilities is necessary.

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