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科学研究

沼气池细菌抗性之内幕:张敏博士等人在Environment International上发表论文“养猪污水厌氧发酵处理过程中抗生素耐药基因组的变化”

2021-06-15 16:56:47 来源:9001aa金沙登录环境研究院 点击:

        近日,9001aa金沙登录环境学院应光国教授团队张敏博士和何良英博士等在国际环境领域顶级期刊《Environment International》上发表了题为“Variations of antibiotic resistome in swine wastewater during full-scale anaerobic digestion treatment”的研究论文。

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图摘要

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全文速览

              污水厌氧发酵法被广泛运用于养殖污水处理。在养殖业日益增长的抗生素耐药风险的形势下,厌氧发酵技术对抗生素及其耐药基因的去除效果值得关注。因此,本研究利用宏基因组高通量测序技术,开展了对三个养猪场的厌氧发酵装置——传统地埋式沼气池(BBD)、覆膜式沼气池(HDPE-BD)和UASB,对养殖废水中抗生素及其耐药基因去除效果的研究。研究发现三种污水厌氧发酵工艺堆抗生素、ARGs和MGEs的去除存在的较大差异,对应范围分别为65.1%-98.1%、3.5% -71.0%和26.9% -77.2%,且UASB和HDPE-BD的去除效果要优于BBD。然而UASB的出水中出现了重金属耐药基因(MRGs)的富集。研究分析发现养猪废水厌氧发酵过程中的抗生素耐药基因组的变化是由细菌群落演替、水平基因转移、杀生剂和重金属耐药基因组共同驱动。经Binning分析,所有样品中共组装出334个高质量的细菌基因组序列,其中96个被鉴定为抗生素耐药菌(主要属于厚壁菌门,拟杆菌门和变形菌门)。变形菌门是主要的多药抗性耐药菌。同时ARG宿主致病菌(如拟杆菌属和分枝杆菌属)的检出意味着厌氧发酵进出水对人类和动物健康存在威胁。综上所述,本研究表明HDPE-BBD是更为高效和环境友好的养猪污水厌氧发酵处理工艺。

引言

              厌氧发酵是一种在厌氧条件下,有机物被发酵细菌(液化)、乙酸分解菌(产酸)和产甲烷菌(产甲烷)代谢分解为水和甲烷等小分子物质的过程的生物处理过程。由于其运营成本低且可产生可循环生态能源——沼气等优势,厌氧发酵技术已被广泛用于养殖场污水处理过程。目前对厌氧发酵过程中抗生素及其耐药基因去除的研究已有一些,然而其去除效果仍存在争议。本研究开展了对三个养猪场的厌氧发酵装置——传统地埋式沼气池、覆膜式沼气池和UASB,对养殖废水中抗生素及其耐药基因去除效果的研究。

图文导读

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Figure 1 Microbial community (left) and antibiotic resistome (right) during anaerobic digestion

 

              本研究分别对三个猪场实际运行的污水厌氧发酵工艺——地埋式沼气池,UASB和HDPE-BD的进出水进行采样,利用HPLC-MS/MS和宏基因组高通量测序技术,分析抗生素和抗生素耐药基因组的变化。

            结果表明:

(1)   共有16种抗生素被检出,厌氧发酵工艺对抗生素的去除范围为65.1%-98.1%。

(2)   UASB和HDPE-BD进出水间细菌群落结构的差异要大于BBD。所有的工艺均不能有效消除致病菌,UASB出水中甚至出现致病菌富集。

(3)   UASB和HDPE-BD能有效降低ARGs和MGEs的相对丰度(62.19-71.02%和70.8%-77.2%),优于BBD(3.53%和26.9%)。且前两个工艺的进出水耐药基因组间的差异要大于BBD。

(4)   细菌群落结构演替,基因水平转移和杀生剂和重金属耐药基因组的变化,三者作为关键因子共同驱动着污水厌氧发酵过程中抗生素耐药基因组的变化。

(5)   污水中共拼接出334个高质量的微生物基因组序列,其中76个为抗生素耐药基因宿主,主要来自于厚壁菌门,拟杆菌门和变形菌门。同时鉴定出了6株携带超过4种ARGs的多药抗性菌。同时拟杆菌属和分枝杆菌属两种耐药致病菌的检出威胁着工厂环境中人和动物的健康。

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Figure 2 VPA analysis of antibiotic resistome with bacterial community, MGEs and BMRGs (a). Gene arrangement of high-quality bins sequences together with ARGs and integrons or insert sequences (b)

结论

            与BBD相比,UASB和HDPE-BD能够有效去除猪废水中的抗生素、ARGs和MGEs。,其进水和出水中的细菌群落变化更为显著。但三种厌氧消化器均不能有效降低病原菌的相对丰度。猪废水厌氧消化过程中细菌群落、水平遗传转移和BMRG谱的变化共同构建了抗生素耐药性。同时,334个高质量的基因组bin中有76个注释为携带ARG的宿主,主要属于厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和变形菌门(Proteobacteria)。变形菌门是废水中的优势菌群,也是猪废水全面厌氧消化过程中的优势耐多药菌群。此外,在使用沼液前应注意拟杆菌、分枝杆菌等耐药致病菌的发生。


论文信息如下

Min zhang, You-Sheng Liu, Jian-liang Zhao, Wang-Rong Liu, Jun Chen, Qian-Qian Zhang, Liang-Ying He*, Guang-Guo Ying*, 2021. Variations of antibiotic resistome in swine wastewater during full-scale anaerobic digestion treatment.  Environment International, 155, 106694.

链接:https://doi.org/10.1016/j.envint.2021.106694


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